Лабораторная работа №2. 2 Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса
жүктеу/скачать 126 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Приборы и принадлежности
|
Лабораторная работа №2.2 Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса Цель работы: Определение коэффициента внутреннего трения глицерина по методу Стокса и изучение законов гидродинамики.Приборы и принадлежности: Стеклянный цилиндр с глицерином, электрический секундомер, микрометр, набор шариков. Краткая теорияВязкость (внутреннее трение) – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущего быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила. Сила внутреннего трения тем больше, чем больше рассматриваемая площадь поверхности слоя S (рис.1), и зависит от того, насколько быстро меняется скорость течения жидкости при переходе от слоя к слою. Рис. 1.
(1) где коэффициент пропорциональности , зависящий от природы жидкости, называется динамической вязкостью (или просто вязкостью). Единица вязкости - паскаль секунда (Пас). 1 Пас равен динамической вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем, равным 1 м/с на 1 м, возникает сила внутреннего трения в 1 Н на 1 м2 поверхности касания слоев (1 Пас = 1 Нс/м2). Чем больше вязкость, тем сильнее жидкость отличается от идеальной, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают. Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен (для жидкостей с увеличением температуры уменьшается у газов наоборот, увеличивается), что указывает в них механизмов внутреннего трения. Особенно сильно зависит от температуры вязкость масел. Например, вязкость касторового масла в интервале 18-40 0С падает в четыре раза. Существует два режима течения жидкости. Течение называется ламинарным (слоистым), если вдоль потока каждый выделенный слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними, и турбулентным (вихревым), если вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание жидкости (газа). Ламинарное течение жидкости наблюдается при малых скоростях ее движения. Внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным. Скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы, и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы. При турбулентном течении частицы жидкости приобретают составляющие скоростей, перпендикулярные течению, поэтому они могут переходит из одного слоя в другой. Скорость частиц жидкости быстро возрастает по мере удаления от поверхности трубы, затем изменяется довольно незначительно. Так как, частицы жидкости переходят из одного слоя в другой, то их скорости в различных слоях мало отличаются, из-за большого градиента скоростей у поверхности трубы обычно происходит образование вихрей. Профиль усредненной скорости при турбулентном течении в трубах (рис.2) отличается от параболического профиля при ламинарном течении более быстрым возрастанием скорости у стенок трубы и меньшей кривизной в центральной части течения. Ламинарный Турбулентный Рис. 2.
Английский ученый О. Рейнольдс установил, что характер течения зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса: (2) где – кинематическая вязкость; - плотность жидкости; d – характерный линейный размер, например диаметр трубы. При малых значениях числа Рейнольдса (Re1000) наблюдается ламинарное течение, переход от ламинарного течения к турбулентному, происходит в области 1000Re2000, а при Re=2300 (для гладких труб) течение турбулентное. Если число Рейнольдса одинаково, то режим течения различных жидкостей (газов) в трубах разных сечений одинаков. Вязкость жидкости или коэффициент внутреннего трения можно определить, в лабораторных условиях воспользовавшись методами Стокса или ротационного вискозиметра. Метод Стокса применяется для определения коэффициента внутреннего трения маловязких жидкостей, например жидкостей как глицерин, костровое масло. Этот метод определения вязкости основан на измерении скорости, медленно движущегося в жидкости, небольшого твердого тела сферической формы, шарика. На шарик, свободно падающий в вязкой жидкости (рис. 3), действуют сила тяжести Р, выталкивающая сила Архимеда Q и сила вязкого сопротивления (сила сопротивления движению) F: , где mш и mж – массы шарика и жидкости, ш и ш – их плотности, r – радиус шарика, - скорость падения шарика, g – ускорение свободного падения, - коэффициент вязкости. Рис.3. Движение шарика, падающего в вязкой жидкости, лишь в первое время будет ускоренным. С возрастанием скорости возрастает сила вязкого сопротивления и с некоторого момента движение можно считать равномерным, т.е. справедливо равенство: P = Q + F, F= P – Q, т.е. (3) Если движение шарика равномерное, то скорость равна 0 = / t, где – расстояние между метками трубки, t – время падения шарика. Подставляя значение скорости в (3), получим Это уравнение справедливо лишь тогда, когда шарик падает в безграничной среде. Если шарик падает вдоль оси трубки радиуса R, то приходится учитывать влияние боковых стенок. Поправки в формуле Стокса для такого случая теоретически обосновал Ладенбург. Формула для определения коэффициента вязкости с учетом поправок принимает следующий вид: (4) жүктеу/скачать 126 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|