Визначення в'язкості рідини за методом Стокса

Прилади й приналежності. скляний циліндр з досліджуваної рідиною, дрібні сталеві кульки, мікрометр, секундомір.

1. Природа сил в'язкого тертя


На всяке тіло, що рухається в рідині (газі) діє сила в'язкого тертя (внутрішнього тертя). Сила в'язкого тертя виникає між сусідніми шарами рідини або газу, що рухаються по будь-якої причини з різними швидкостями. При цьому шари, що рухаються відносно один одного, обмінюються молекулами. Молекули з швидкого шару переносять в повільний шар певний імпульс, і повільний шар прагне рухатися швидше. У свою чергу, молекули з повільного шару, перескакуючи в швидкий шар, гальмують його.

Однак розглянутий механізм в'язкого тертя більш властивий газам, в яких молекули перескакують з шару в шар за рахунок хаотичного теплового руху. У рідини внутрішнє тертя в значній мірі визначається дією міжмолекулярних сил. Відстань між молекулами в рідині невеликі, а сила взаємодії значні. Молекули рідини, подібно часткам твердого тіла, коливаються близько положень рівноваги. Після закінчення часу "осілого життя" молекули рідини стрибком переходять в нове положення.

При русі в рідині якого-небудь тіла зі швидкістю , молекули рідини частково "прилипають" до нього  адсорбуються. Шар рідини, найближчий до прилипле шару, захоплюється силами міжмолекулярної взаємодії. Рідина при цьому буде прискорюватися на кордоні з твердим тілом. На неї буде діяти сумарна середня сила F в напрямку руху тіла. За третім законом Ньютона на тіло з боку рідини буде діяти така ж по величині, але протилежно спрямована сила. Це і є сила в'язкого тертя. Поява цієї сили призводить до гальмування рушійного тіла.

Досвідченим шляхом було визначено формула сили внутрішнього тертя:

де - градієнт швидкості, що складає швидкість зміни швидкості в напрямку x, перпендикулярному руху шарів;

S - площа, на яку діє сила.

Знак «» у формулі (1) показує, що сила F направлена ​​в сторону зменшення швидкості. Коефіцієнт пропорційності η носить назву коефіцієнта внутрішнього тертя або просто в'язкості (динамічної в'язкості).

Якщо у формулі (1) покласти, ΔS = 1м 2. то F буде чисельно дорівнює η, тобто коефіцієнт динамічної в'язкості чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, що виникає на кожній одиниці поверхні зіткнення двох шарів, що рухаються відносно один одного з градієнтом швидкості, що дорівнює одиниці.

Коефіцієнт динамічної в'язкості залежить від природи рідини і для рідини з підвищенням температури зменшується. В'язкість грає істотну роль при русі рідин.

2. Формула Стокса


Розглянемо рівномірний рух маленького кульки радіуса r в рідини (газі). Позначимо швидкість кульки щодо рідини через 0. Розподіл швидкостей в сусідніх шарах рідини, захоплюємося кулькою, має вигляд, зображений на рис. 1. У безпосередній близькості до поверхні кулі ця швидкість дорівнює 0. а в міру віддалення зменшується і практично ставати рівною нулю, на деякій відстані L від поверхні кулі.

Очевидно, що чим більше радіус кулі, тим більша маса рідини (газу) втягується їм в рух, і L має бути пропорційно r:

L = α · r.


Під  будемо розуміти середнє значення коефіцієнта пропорційності. Тоді середнє значення швидкості по поверхні кулі дорівнює

Поверхня кулі S = 4πr 2 і сила тертя, яку відчувають рухомим кулею, дорівнює

Стоксом було отримано, що для кулі α =. Отже, сила в'язкого тертя, яку відчувають кулею, що рухається в рідині (газі):

де d - діаметр кульки.

Формула Стокса застосовується лише в разі кулястих тел малих розмірів і малих швидкостей їх руху.

За формулою Стокса можна, наприклад, визначати швидкості осідання частинок туману і диму. Нею можна користуватися і для розв'язання оберненої задачі  вимірюючи швидкість падіння кульки в рідині, можна визначити її в'язкість.

3. Визначення коефіцієнта в'язкості рідини методом Стокса


Н а кулька, що падає в рідині вертикально вниз, діє три сили (рис. 2): сила тяжіння mg. сила Архімеда Fa і сила в'язкого тертя Fтр.

За другим законом Ньютона:

Сила тяжіння і сила Архімеда постійні по модулю, а сила в'язкого тертя, згідно з формулою (2) збільшується зі збільшенням швидкості кульки, і настає момент, коли сила тяжіння урівноважиться сумою сил тертя і Архімеда. З цього моменту прискорення кульки дорівнює нулю, т. Е. Його рух ставати рівномірним.

де V - об'єм кульки; ρж - щільність рідини; ρш - густина кульки.

Підставляючи рівняння (2), (4) в рівняння (3), отримуємо

Швидкість руху кульки

де - відстань між мітками на посудині з рідиною, відповідне місцю врівноваження сил; τ - час проходження кулькою відстані.

. (5)
Якщо врахувати вплив стінок посудини на рух кульки, то формула (5) набуде вигляду

де D - діаметр судини.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Виміряти внутрішній діаметр скляного циліндра і відстань між мітками, використовуючи штангенциркуль і масштабну лінійку.

2. Виміряти мікрометром діаметр кульки.

3. Опустити кульку в посудину, так щоб він рухався по осі циліндра, і виміряти секундоміром час його проходження між мітками.

4. Обчислити коефіцієнт в'язкості досліджуваної рідини за формулою (6).

5. Такі ж вимірювання і розрахунки виконати ще для чотирьох кульок.

6. Розрахувати середнє значення коефіцієнта в'язкості.

7. Результати вимірювань і розрахунків занести в таблицю 1.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ



  1. Пояснити механізм виникнення сил в'язкого тертя.

  2. Вивести формулу Стокса.

  3. У чому полягає метод визначення в'язкості рідини по Стокс і де він застосовується на практиці?

Визначення в'язкості рідини за методом Стокса
82.62kb. 1 стор.

Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини за методом Стокса
99.37kb. 1 стор.

Існують два основних параметри для визначення в'язкості рідини: динамічна (або абсолютна) в'язкість і кінематична в'язкість
19.28kb. 1 стор.

Схожі статті