Определение вязкости методом стокса

Лаборатория молекулярной физики.

Работа 4.19

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА

Принадлежности: вискозиметр, Стокса, микроскоп отсчётный,

секундомер, масштабная линейка, металлические шарики.

Теория метода и описание установки: Рассмотрим падение тела

2. Выталкивающая сила

(шарика в нашем случае) в вязкой покоящейся жидкости. На шарик, свободно падающий в такой жидкос­ти, действует: 1. Сила тяжести , (1) где p2 – плотность материала ша­рика. r – радиус шарика d - ускорение свободного падения. (по закону Архимеда) , (2)

где p1 – плотность жидкости

3. Сила сопротивлении движению, обусловленная внутренним тре­нием между слоями жидкости (см. "Внутренне трение", стр. 12 – 15):

, (3)

где r – радиус шарика

ν – скорость падения шарика

η – динамическая вязкость

Эта сила направлена вертикально вверх. Равнодействующая всех сил, действующих на шарик,

. (4)

Вначале скорость движения шарика будет возрастать. Так как по мере увеличения скорости шарика сила сопротивления будет также возрастать, то наступит такой момент, когда сила тяжести будет уравновешена суммой F3 и F1 , равнодействующая сила обратится в нуль, т. е.

. (5)

С этого момента движение шарика становится равномерным с неко­торой скоростью ν. Подставим (1), (2), (3) в (5) и получим:

Преобразуем это уравнение и выразим:

(6)

где D - диаметр шарика.

Скорость можно определить, если измерить расстояние между коль­цами А и В, равное , и время t, необходимое для прохож­дения пути Тогда формула (6) примет вид;

. (7)

Величины D, , t измеряются опытным путём, d , p1 и p2 - берутся из таблицы.

Вискозиметр Стокса представляет собой стеклянный сосуд, наполненный исследуемой жидкостью (рис.3). На цилиндре нанесе­ны две горизонтальные метки (проволочные кольца) А и В, рас­положенные друг от друга на расстоянии . Верхняя метка долж­на быть ниже уровня жидкости на. 5 – 10 см, так как в начале падения шарик движется ускоренно, и только пройдя некоторый путь, будет двигаться равномерно.

Диаметры шариков измеряют отсчетным микроскопом.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте диаметр шарика следующим образом: шарик поместите на предметное стекло микроскопа; посчитайте, сколько делений шкалы окуляра укладывайся в диаметре шарика, и умножьте число этих делений на цену деления шкалы. Таких измерений диметра шарика проделайте три, поворачивая окуляр микроскопа вокруг оси и меняя, таким образом, ориентацию шарика относительно шкалы микроскопа. В таблицу занесите среднее значение диаметра шарика.

2. Опустите шарик в жидкость как можно ближе к оси цилиндра.

3. Поставьте глаз на уровне верхней метки так, чтобы он сливалась в одну прямую. В момент прохождения шариком верхней метки пустите в ход секундомер. Остановите секундомер, когда шарик достигнет нижней метки (для уменьшения погрешности расстояние между верхней и нижней метками взять наибольшим для данной установки).

4. Измерьте расстояние между верхней и нижней метками. Так как, скорости шариков значительны, то, прежде чем производить отсчёты времени движения измеренного шарика, проведите пробные измерения времени движения неизмеренных шариков (1-2).

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

№	Диаметр шарика	t		p1	p2	η	<η>
1
2
3

6. По полученным данным рассчитайте вязкость по формуле (7).

7. Все операций 1-6 проделайте не менее трёх раз. Найди среднее значение η.

8. Рассчитайте абсолютную погрешность по методу прямых измерений.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм возникновения вязкости в жидкости?

2. Что такое градиент скорости?

3. Запишите формулу силы внутреннего трения.

4.Каков физический смысл динамической вязкости?

Единицы её измерения.

5.Как зависит η от температуры?

6. Почему при измерении вязкости в данной работе верхнюю метку помещают на некоторой глубине, а не на уровне мениска?

7. Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкости?

Литература

1. Савельев общей физики. T. I. М: Наука, 1982, с..

2. Трофимова физики. М: Высшая школа, 1985,с.80-86.