Lucrare de laborator nr. 2
DEFINIREA COEFICIENTULUI DE VISCOSITATE LIQUIDĂ A TRANSPARENȚEI PRIN METODA STOPS
Scopul lucrării: să se familiarizeze cu metoda de determinare a coeficientului de vâscozitate al lichidului transparent prin metoda unei mingi care se deplasează într-un lichid.
Echipamente: cilindru din sticlă, cu lichid transparent; cronometru; micrometru; scară pe scară largă; bile de plumb.
Teoria întrebării și metoda de realizare a lucrării
Fenomenele de transport combină un grup de procese asociate cu neomogenitățile în densitatea, temperatura sau viteza deplasării ordonate a straturilor individuale de materie. Fenomenele de transfer includ difuzia, frecare internă și conductivitatea termică.
Fenomenul de frecare internă (vâscozitatea) este apariția forțelor de frecare între straturile de gaz sau lichid, se deplasează, unul față de altul, în paralel și la viteze diferite în magnitudine. Un strat care se mișcă mai repede acționează cu o forță de accelerare pe un strat vecin în mișcare. Forțele de frecare interioară care apar în acest caz sunt direcționate de-a lungul tangentei la suprafața de contact a straturilor (Figurile 1, 2).
Amploarea forței de frecare internă între straturile adiacente este proporțională cu zona lor, iar gradientul vitezei, adică relația, obținută experimental Newton
Cantitatea se numește coeficientul de frecare internă sau coeficientul de vâscozitate dinamic. În SI se măsoară în.
Cantitatea din (1) arată cum se schimbă viteza unui fluid în spațiu pe măsură ce punctul de observare se mișcă într-o direcție perpendiculară pe straturi. Conceptul de gradient de viteză este ilustrat în Fig. 1, 2.
Fig. 1. Gradient de viteză constantă
Figura 1 prezintă distribuția vitezei straturilor de fluid între două plăci paralele, una dintre ele fiind staționară, iar cealaltă are o viteză. O situație similară apare în stratul intermediar de lubrifiere dintre piesele în mișcare. În acest caz, straturile de lichid imediat adiacente fiecărei plăci au aceeași viteză. Straturile mobile deplasează parțial vecinătatea. Ca urmare, în spațiul dintre plăci, viteza lichidului se schimbă într-o direcție uniformă. Astfel, aici
.
Fig. 2. Gradient de viteză variabilă
Figura 2 prezintă distribuția vitezelor fluidului în apropierea lichidului în mișcare vertical vertical în jos cu viteza mingii.
Se presupune că viteza este mică, astfel încât turbulența în lichid nu se formează. În acest caz, lichidul direct adiacent la suprafața mingii are o viteză. În această mișcare, straturile de lichid îndepărtate din minge sunt parțial implicate. În acest caz, viteza se schimbă cel mai rapid în direcția apropiată de minge.
Prezența unui gradient de viteză la suprafața corpului indică faptul că forța internă de frecare care acționează asupra ei depinde de coeficientul de vâscozitate. Valoarea însăși este determinată de natura lichidului și, de obicei, depinde în mod esențial de temperatura acestuia.
Rezistența coeficientului de frecare internă și viscozitatea fluidului poate fi determinată prin diferite metode - pentru rata de fluid de evacuare prin orificiul, viteza mișcării în fluidele corpului, etc. În această lucrare se folosește metoda propusă de Stokes.
Luați în considerare, de exemplu, mișcarea uniformă a unei mici sfere de rază într-un fluid. Să denotăm viteza mingii cu privire la lichid prin. Distribuția vitezelor în straturile de fluid adiacente trase de o minge trebuie să aibă forma prezentată în Fig. 2. În imediata vecinătate a suprafeței sferei, această viteză este egală cu și scade cu o distanță în creștere și practic devine egală cu zero la o anumită distanță față de suprafața sferei.
Evident, cu cât raza sferei este mai mare, cu atât este mai mare masa de lichid care este condusă în mișcare și trebuie să fie proporțională cu raza mingii :. Apoi, valoarea medie a gradientului de viteză pe suprafața sferei este
.
Suprafața sferei și forța totală de frecare cu care se confruntă mingea în mișcare sunt egale cu
.
Calculele mai detaliate arată că pentru sferă, în final, formula Stokes.
Conform formulei Stokes, de exemplu, este posibil să se determine rata de sedimentare a particulelor de ceață și de fum. Poate fi folosit și pentru a rezolva problema inversă - prin măsurarea vitezei unei bile care se încadrează într-un lichid, se poate determina vâscozitatea sa.
Mingea căzută în când fluidul se deplasează uniform accelerat, dar, deoarece crește viteza va crește și puterea de rezistență a lichidului, atâta timp cât forța gravitației în talonului lichid este egală cu suma forțelor de rezistență și mișcarea forței de frecare fluid a balonului. După aceasta, mișcarea va avea loc cu o viteză constantă.
Când mingea se mișcă, stratul de lichid care se învecinează pe suprafața sa aderă la minge și se mișcă cu viteza mingii. Straturile adiacente de lichid adiacente sunt, de asemenea, plasate în mișcare, dar viteza pe care o obțin este cu atât mai mică cu cât acestea sunt mai departe de minge. Astfel, la calcularea rezistenței mediului, trebuie să se țină seama de frecarea straturilor individuale ale lichidului una față de cealaltă, mai degrabă decât de frecare a mingii față de lichid.
Dacă mingea se prăbușește într-un lichid care se extinde nelimitat în toate direcțiile, fără a lăsa nici o turbulență în spatele acesteia (viteză redusă de cădere, minge mică), atunci, după cum a arătat Stokes, forța de tracțiune este
unde este coeficientul de frecare internă a fluidului; - viteza mingii; Este raza lui.
În plus față de forța de pe minge acționează gravitația și forța Archimedean, egală cu greutatea lichidului deplasat de minge. Pentru o minge
unde este densitatea materialului mingii și a lichidului examinat.
Toate cele trei forțe vor fi îndreptate vertical: gravitația - în jos, ridicarea și rezistența - în sus. Prima dată, după ce a intrat în lichid, mingea se mișcă într-un ritm accelerat. Presupunând că în momentul în care mingea trece de marcajul superior, viteza sa a fost deja stabilită, obținem
,
unde este momentul în care mingea trece distanța dintre semne, este distanța dintre semne.
Mișcarea bilei crește, accelerația scade și, în final, mingea atinge o viteză la care accelerația devine zero, apoi
Înlocuind valoarea cantităților din (4), obținem:
Rezolvând ecuația (5) în raport cu coeficientul de frecare internă, obținem formula calculată:
Fig. 3. Dispozitivul Stokes
Figura 3 prezintă dispozitivul constând din cilindrul de sticlă larg acoperit cu două marcaje inelare și orizontale (- distanța dintre două marcaje), care este umplut cu lichid de testat (ulei de ricin, ulei de transformator, glicerina), astfel încât nivelul lichidului a fost de 5¸La 8 cm deasupra marcii de sus.
Ordinea de executare a muncii
Pentru a măsura coeficientul de frecare intern al unui fluid, de exemplu, ulei, se iau bile foarte mici. Diametrul acestor perle este măsurat cu un micrometru. Momentul căderii mingii este un cronometru.
1. Cu ajutorul unui micrometru, măsurați diametrul mingii.
2. Măsurați timpul de coborâre pentru fiecare minge între două semne și. Bec mai mică deschidere pâlnie și timpul de trecere prin semnul de sus a porni cronometrul, iar atunci când trece prin ea de pe eticheta de jos.
3. Practicați de cel puțin cinci ori.
4. Măsurați distanța dintre semne. Calculați viteza de mișcare a mingii și folosiți formula (5) pentru a găsi valoarea coeficientului de vâscozitate.
5. Luați densitatea lichidului și a bilelor din tabelul cu cantități fizice.
6. Găsiți valoarea medie a coeficientului de vâscozitate, estimați erorile absolute și relative ale măsurătorilor.
1. Care este metoda de determinare a coeficientului de vâscozitate al unui lichid în conformitate cu Stokes?
2. Ce forțe acționează asupra mingii când se mișcă într-un lichid?
3. Cum depinde coeficientul de frecare internă a lichidelor de temperatură?
4. Ce fluxuri de fluid sunt numite laminar și turbulent? Cum sunt acești curenți determinați de numărul Reynolds?
5. Care este semnificația fizică a coeficientului de vâscozitate al unui fluid?
6. De ce sunt măsurătorile valide doar la viteze reduse?
7. Pentru un lichid de glicerină sau apă, se poate determina coeficientul de vâscozitate mai precis prin metoda în cauză?
8. Există două bile de plumb cu diametre diferite. Care dintre ele face rata de cădere în lichid să fie mai mare?
9. Descrieți alte fenomene de transport (difuzie și conductivitate termică). Ce legi ascultă?
Trimiteți-le prietenilor: