41637

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

Лабораторная работа

Физика

2 используемая для определения коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса представляет собой два стеклянных цилиндрических сосуда 1 наполненных жидкостью различной вязкости в данной работе определяется вязкость только одной жидкости; уровень поверхности жидкости обозначен цифрой 2. Пинцетом аккуратно опускают в сосуд с глицерином маленький шарик по оси симметрии сосуда плотность шарика больше плотности жидкости. Расстояние между поверхностью жидкости 2 и верхним указателем 3 подбирают так чтобы на этом участке скорость шарика...

Русский

2013-10-24

76.01 KB

67 чел.

                                    ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

  Цель работы:

Экспериментальное определение коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса.

   Приборы и оборудование:

1. Лабораторный стенд

2.Секундомер

3.Набор шариков, смоченных в глицерине.

4.Пинцет.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ВЫВОД РАССЧЕТНЫХ ФОРМУЛ.

Экспериментальная установка (рис.2) используемая для определения коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса, представляет собой два

стеклянных цилиндрических сосуда 1, наполненных жидкостью различной вязкости ( в данной работе определяется вязкость только одной жидкости); уровень поверхности жидкости обозначен цифрой 2. На боковую поверхность сосудов надеты два тонких проволочных кольца 3 и 4. Расстояние между кольцами равно L.

Пинцетом аккуратно опускают в сосуд с глицерином  маленький шарик по оси симметрии сосуда, плотность шарика больше плотности жидкости. Диаметр шарика предварительно измеряют с помощью специального микроскопа. Расстояние между поверхностью жидкости 2 и верхним указателем 3 подбирают так, чтобы на этом участке скорость шарика стабилизировалась; при этом на участке 3-4 движение шарика будет равномерным.

Рассмотрим силы, действующие на шарик, движущийся с постоянной скоростью  в вязкой жидкости (рис.3): сила тяжести ( - объем шарика) направлена вниз, сила Архимеда и  сила Стокса направлены вверх.

Условие постоянства скорости шарика дает (в проекции на вертикальную ось).

  (4)

Подставляя в (4) выражения для сила также учитывая, что объем шара

,

где - диаметр шарика, получим выражение для коэффициента вязкости жидкости :

   (5)

Установившаяся скорость движения шарика на участке 3-4 будет равна:

    (6)

где - время движения шарика между кольцами 3 и 4. Из (5) и (6) получим формулу для определения коэффициента вязкости жидкости:

  (7)

 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ.

Внутреннее трение (вязкость) – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление при перемещении одной их части относительно другой. Рассмотрим схему вязкого ламинарного (слоистого) течения слоя жидкости, заключенного между двумя параллельными пластинами (рис.1).

Пусть нижняя пластина неподвижна, а верхняя движется горизонтально вправо со скоростью . Тогда в жидкости возникает движение со скоростью .

Закон вязкого трения был установлен Ньютоном. Он имеет вид:

          (1)

где - касательная сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости друг относительно друга; - площадь слоя, по которому происходит сдвиг; - градиент скорости течения жидкости (быстрота изменения скорости от слоя к слою);  коэффициент пропорциональности - коэффициент вязкости (внутреннего трения) жидкости. В СИ размерность = Пас.

В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т коэффициент вязкости жидкости- практически не зависит от градиента скорости.

Вязкость жидкости ( в отличии от вязкости газов) обусловлена межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул между слоями, с одной стороны, и наличием вакантных мест, с другой. Два соприкасающихся слоя молекул жидкости, движущихся с различными скоростями, взаимодействуют между собой и изменяют скорость друг друга. С повышением температуры расстояние между слоями увеличивается, поэтому сила взаимодействия между ними уменьшается, что приводит к уменьшению вязкости жидкости. Кроме того, с увеличением температуры резко возрастает число вакансий, что так же приводит к уменьшение вязкости, поскольку слой относительно слоя перемещается не как единое целое, а благодаря постепенному переходу молекул от одной вакансии к другой. Молекулы жидкости (как и в газах) могут переходить из слоя в слой, но такой механизм вязкости в жидкостях не является определяющим.

Одним из методов экспериментального определения коэффициента вязкости жидкости является метод Стокса. При движении тела в жидкости на него действует сила сопротивления. Стокс вывел формулу, для силы сопротивления, действующей на шар, движущийся в жидкости поступательно с постоянной скоростью. Формула Стокса имеет вид:

         (2)

Здесь  - сила сопротивления; - коэффициент вязкости; - радиус шарика; - скорость поступательного движения шарика. Отметим, что формула Стокса справедлива лишь при условии, что при движении не возникает турбулентность (завихрение) жидкости. Движение прилегающих к шарику слоев должно быть ламинарным. Это условие выполняется при:

     (3)

где - число Рейнольдса – один из так называемых критериев подобия; - плотность жидкости.

                             Методика выполнения работы.

  1.  Включить стенд (вилку – в розетку, тумблер – «Сеть»).
  2.  Включить тумблеры «Контроль» и «Подсветка»
  3.  Измерить диаметр шарика с помощью микроскопа. Измерения проводить не менее трух раз; при этом шарик надо поворачивать. Если его форма значительно отличается от сферической, такой шарик следует забраковать.
  4.  Аккуратно опустить пинцетом шарик в сосуд по оси симметрии.
  5.  Секундомером измерить время прохождения шариком расстояния L между указателями 3 и 4. Следить, чтобы в моменты включения и выключения секундомера (в моменты прохождения шариком меток 3 и 4 соответственно) глаз наблюдателя располагался на уровне соответствующей метки.
  6.  Результаты всех измерений занести в таблицу 1, по формуле (7) определить коэффициент вязкости жидкости.
  7.  Пункты 3-6 повторить для 8-10 шариков, рассчитать погрешности измерений.
  8.  Выключить все тумблеры, выключить стенд.

Примечания: 1. При получении шариков у лаборанта постараться подобрать шарики одинаковых размеров не более 4 мм в диаметре.

                               Выполнение работы.

L,

м

Диаметр шарика,

дел

t,

c

,

Пас

,

Пас

1

d1

d2

d3

dср

2

3

    4

    5

    6

    7

    8

  Ср.

        

Вывод: в ходе лабораторной работы  мы научились определять  коэффициент вязкости жидкости методом Стокса

 

                   Отчёт по лабораторной работе №3

Тема: Определение  коэффициента  вязкости

                жидкости  методом  Стокса

                                                                               Выполнила студентка 1-го курса БХФ

                                                                               Группы 041205 (3)

                                                                               Ткаченко Наталья Николаевна


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22910. Теорема про розклад визначника за елементами рядка або стовпчика 67 KB
  Доповнюючим мінором елемента aij називається визначник Mij який одержуються викресленням з визначника Δ i го рядка та j го стовпчика. Ця теорема дозволяє звести обчислення визначника n го порядку до обчислення визначників порядку n1. Фіксуємо iй рядок визначника Δ та доведемо що всі добутки що складають доданок aijAij входять у визначник Δ причому з таким самим знаком як і у доданку aijAij.
22911. Визначник Вандермонда 32.5 KB
  Визначником Вандермонда n го порядку називається визначник. Доведення проведемо індукцією за порядком n визначника При n=2 Припустимо що твердження виконується для визначника Вандкрмонда Δn1 порядку n1 і знайдемо визначник Δn. Як відомо визначник не змінюється якщо від деякого рядка відняти інший рядок домножений на число. Тому у визначника Δn спочатку від останнього рядка віднімаємо рядок з номером n1 домножений на a1.
22912. Системи лінійних рівнянь 22 KB
  Система лінійних рівнянь називається сумісною якщо вона має принаймні один розвязок. Система лінійних рівнянь називається несумісною якщо вона не має розвязків. Сумісна система лінійних рівнянь називається визначеною якщо вона має єдиний розвязок.
22913. ТЕОРЕМА КРАМЕРА 43.5 KB
  Αn1x1αn2x2αnnxn=βn Складемо визначник з коефіцієнтів при змінних α11 α12 α1n Δ= α21 α22 α2n αn1 αn2 αnn Визначник Δ називається головним визначником системи лінійних рівнянь 1. Якщо головний визначник Δ квадратної системи лінійних рівнянь 1 не дорівнює нулю то система має єдиний розвязок який знаходиться за правилом: 2 Формули 2називаються формулами Крамера. Домножимо перше рівняння системи 1 на A11 друге рівняння на А21 і продовжуючи так далі nе рівняння системи домножимо на Аn1. Отримаємо рівняння яке...
22914. Обчислення рангу матриці 20.5 KB
  Основними методами обчислення рангу матриці є методи оточення мінорів теоретичний і метод елементарних перетворень практичний. Методи оточення мінорів полягає в тому що в ненульовій матриці шукається базисний мінор. Тоді ранг матриці дорівнює порядку базисного мінору.
22915. Теорія систем лінійних рівнянь 24 KB
  Основною матрицею системи 1 називаються матриці порядку m x n. Ранг основної матриці системи A називається рангом самої системи рівнянь 1. Розміреною матрицею системи рівнянь 1 називається матриця порядку mxn1.
22916. Теорема Кронекера – Капелі (критерій сумісної системи лінійних рівнянь) 46 KB
  Припустимо що система сумісна і числа λ1λ2λn утворюють розвязок системи. Вертикальний ранг основної матриці системи дорівнює рангу системи векторів a1a2an вертикальний ранг розширеної матриці співпадає з рангом системи векторів a1a2anb. Оскільки вектор b лінійно виражається через a1a2an за теоремою 2 про ранг ранги системи векторів a1a2an і a1a2anb співпадають.
22917. Розв’язки системи лінійних рівнянь 50 KB
  Оскільки система сумісна ранги матриці A і рівні і дорівнюють r. Система переписується таким чином: Всі розвязки системи можна одержати таким чином. Одержується система лінійних рівнянь відносно базисних змінних x1x2xr.
22918. Еквівалентні системи лінійних рівнянь 29.5 KB
  Дві системи лінійних рівнянь з однаковим числом змінних називаються еквівалентними якщо множники їх розвязків співпадають. Зокрема дві несумісні системи з однаковим числом змінних еквівалентні. Еквівалентними перетвореннями системи лінійних рівнянь називаються перетворення які зводять систему до еквівалентних систем.