ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ
ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА
Ц е л ь р а б о т ы: изучение законов движения тел в вязкой среде. П р и б о р ы: стеклянный цилиндр с жидкостью на подставке, секундомер, микрометр, шарики.
Т е о р и я м е т о д а При движении жидкости или газа возникают силы внутреннего трения. Эти силы возникают вследствие того, что движение жидкости или газа слоистое и скорости перемещения слоев разные. Силы внутреннего трения направлены к уравниванию скорости движения всех слоев. Уравнивание скорости слоев осуществляется путем передачи импульса молекулами более быстрого слоя молекулам слоя, движущегося медленно. Это приводит к увеличению скорости движения более медленного слоя. Слой же, движущийся быстрее, начинает двигаться медленнее, так как молекулы из медленного слоя, попадая в более быстрой слой, получают в быстром слое импульс, что приводит к его торможению.Таким образом, внутреннее трение обусловлено переносом импульса m молекулами вещества, которые переходят из слоя в слой и создают силы трения между слоями газа или жидкости перемещающимися с различными скоростями. Опыт показал, что сила внутреннего трения F пропорциональна градиенту скорости и площади соприкасающихся слоев . Коэффициент пропорциональности h называется коэффициентом вязкости. F = - h (1)
Коэффициент динамической вязкости или внутреннего трения, есть физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, между слоями с площадью, равной единице, при градиенте скорости, равном единице h = (2) Размерность коэффициента вязкости в СИ [h ] = [ ] Наряду с коэффициентом динамической вязкости часто употребляют коэффициент кинематической вязкости ν = где ρ - плотность жидкости Коэффициент вязкости может быть определен методом падающего груза в вязкой среде (метод Стокса). Рассмотрим свободное падение шарика в вязкой покоящейся жидкости (рис.) На шарик действуют I. Сила тяжести Р= mg= pr3rg (3) где r – радиус шарика, r - плотность шарика, q - ускорение свободного падения. 2. Выталкивающая сила (по закону Архимеда) FA = m1g = pr3r1g (4) где r1 – плотность жидкости. 3. Сила сопротивления движению, вычисленная Стоксом, обусловленная силами внутреннего трения между слоями жидкости FC = 6 p h ru (5) где u - скорость слоев жидкости. Здесь играет роль не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга, т.к. при прикосновении твердого тела с жидкостью к поверхности тела тотчас же прилипают молекулы жидкости. Тело обволакивается слоями жидкости и связано с ними межмолекулярными силами. Непосредственно прилегающий к телу слой жидкости движется вместе с телом со скоростью движения тела. Этот слой увлекает в своем движении соседние слои жидкости, которые на некоторый период времени приходят в плавное безвихревое движение (если малые скорости и маленькие шарики). Равнодействующая сил, действующих на шарик R = P – (FA+FC) (6)
Экспериментальная установка состоит из стеклянного цилиндра наполненного жидкостью. На цилиндр нанесены две горизонтальные метки, расположенные друг от друга на расстоянии . Диаметры шариков измеряют микрометром.
Порядок работы 1. Микрометром измеряют диаметр одного шарика. Затем опускают шарик в цилиндр в середине поверхности жидкости. 2. Следя за падением шарика в жидкости, включить секундомер при прохождении верхней метки и выключить при прохождении нижней метки. Отсчитываем время падения шарика t. 3. Измерить расстояние между метками с точностью до 1мм и определить скорость по формуле u0 = /t 4. В расчетную формулу (8) подставить среднее значение измеряемых величин. Остальные величины, входящие в формулу, берут из таблицы: плотность глицерина r1 = 1,26·103 кг/м3, плотность свинца r = 11,4·103 кг/м3. 4. Опыт повторить 3-5 раз. Результаты измерений занести в таблицу. Таблица
Контрольные вопросы 1. Как возникают силы внутреннего трения? 2. Записать формулу явления переноса импульса (внутреннего трения). 3. Определить физический смысл коэффициента вязкости. Единица измерения коэффициента вязкости в системе СИ? 4. Как зависит коэффициент вязкости от температуры? 5. Вывести расчетную формулу коэффициента вязкости.
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №15 ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|