, (1)
где dv/dz- градиент скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном трущимся слоям, S - площади соприкасающихся слоев, h - динамическая вязкость (вязкость) жидкости или газа или коэффициент внутреннего трения. Динамическая вязкость - характеристика данного вещества, численно она равна силе трения, возникающей между двумя слоями этой жидкости площадью по 1 м2 каждый при градиенте скорости, равном 1 м/с на метр. Размерность коэффициента вязкости . В некоторых случаях принято пользоваться так называемой кинематической вязкостью, равной динамической вязкости жидкости, деленной на плотность жидкости .
В жидкостях внутреннее трение обусловлено действием межмолекулярных сил. Расстояния между молекулами жидкости сравнительно невелики, а силы взаимодействия значительны. Молекулы жидкости, подобно молекулам твердого тела, колеблются около
положения равновесия, но эти положения не являются постоянными. По истечении некоторого времени молекула скачком переходит в новое положение. Это время называется временем «оседлой жизни» молекулы. Среднее время «оседлой жизни» молекул называется временем релаксации t. Вязкость жидкости обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, характерными для каждого вещества. Вещества с малой вязкостью - текучи, и наоборот, сильно вязкие вещества могут иметь механическую твердость, как, например, стекло. Вязкость существенно зависит от количества и состава примесей, а также от температуры. С повышением температуры время релаксации уменьшается, что обуславливает рост подвижности жидкости и уменьшение ее вязкости.
1.2. Вязкость газов
Вязкость газов, в отличие от жидкостей, увеличивается при повышении температуры. Различный характер зависимости вязкости газов и жидкостей от температуры указывает на различный механизм их возникновения, хотя формула Ньютона одинаково справедлива и для обоих этих состояний.
Рассмотрим, как возникает внутреннее трение в газах. В отличие от жидкостей здесь силы внутреннего трения возникают в результате микрофизического процесса передачи импульса от одного слоя газа к другому. Переносчиками импульса выступают молекулы газа.
Выделим в движущемся потоке газа вдоль вектора скорости два параллельных соприкасающихся слоя. Пусть скорости их движения по величине и направлению таковы, как показано на рисунке 2. Имеющиеся в тепловой скорости, а, следовательно, и в импульсе молекул составляющие рx в рассматриваемых слоях неодинаковы. Молекулы, находящиеся в более медленном, «нижнем», слое имеют меньшую составляющую импульса рx и, попав в «верхний» слой, затормаживают его. «Верхние» же молекулы, наоборот, переносят импульс больший, чем имеют молекулы «нижнего» слоя, и поэтому ускоряют этот слой.
Вязкость различных газов неодинакова и тем больше, чем больше молекулярная масса газа. Она увеличивается также с повышением давления, т.е. концентрации молекул, и температуры. Чем выше температура газа, тем интенсивней происходит обмен молекулами между его слоями, тем лучше работает механизм внутреннего трения.
1.3. Движение твердого тела в жидкости
При движении тел в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этих сил можно объяснить двумя разными механизмами. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей (ламинарное течение или обтекание), сила сопротивления обуславливается только вязкостью жидкости. Слои жидкости, прилегающие к телу, неподвижны относительно тела. Граничащие с ними слои увлекаются ими по описанному выше механизму вязкого трения в жидкостях. Так создаются силы, тормозящие относительное движение твердого тела и жидкости. Величину этих силы трения можно рассчитать с использованием формулы Ньютона (1).
Второй механизм сил сопротивления связан с образованием вихрей (рис.3). Давление в жидкости меняется в зависимости от скорости потока так, что в области вихрей оно существенно уменьшается (уравнение Бернулли: p1+rv12/2=p2+rv22/2 ). Разность давлений Dp=r(v12 – v22)/2 в областях перед телом и за ним создает силу «лобового» сопротивления и тормозит движение тела. Часть работы, совершаемой силами трения при движении тела в жидкости, идет на образование вихрей, энергия которых переходит затем в теплоту.
Если движение тела в жидкости происходит медленно, без образования вихрей, то сила сопротивления создается только по первому из описанных механизмов. Для тел сферической формы ее величину определяют по формуле Стокса:
Fc=6phrv (2)
где г - радиус шарика; v - скорость его равномерного движения; h - вязкость жидкости.
2. Экспериментальная часть
Часть I. Определение вязкости жидкости по методу Стокса
Теория метода
На движущийся шарик в жидкости действуют три силы: сила тяжести - Р, выталкивающая сила FA и сила сопротивления Fc. Силу тяжести и выталкивающую силу можно определить через объем шарика, плотность r шарика и плотность r0 жидкости:
P=4pr3rg/3 (3)
FA =4pr3ro g/3 (4)
Сила тяжести и выталкивающая сила постоянны. При малой скорости падения шарика сила сопротивления прямо пропорциональна этой скорости и поэтому на начальном этапе он движется равноускоренно. Затем наступает момент, когда все три силы уравновешиваются, и шарик начинает двигаться равномерно:
P=FA + Fc или 4pr3rg/3= 4pr3ro g/3+6phrv, (5)
откуда
(6)
Экспериментальная установка
Для определения вязкости жидкости по методу Стокса берется высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (рис.4). На сосуде имеются две кольцевые метки А и В. Метка А соответствует той высоте, где силы, действующие на шарик, уравновешивают друг друга и движение становится равномерным. Нижняя метка В нанесена для удобства отсчета времени в момент падения шарика.
Бросая шарик в сосуд, отмечают по секундомеру время t прохождения шариком расстояния l = АВ между двумя метками.
Если в формулу (6) подставить выражение для скорости движения v=l/t и вместо радиуса r ввести диаметр шарика d, то окончательная расчетная формула приобретает вид:
( 7)
Ход выполнения работы
1. Измерьте расстояние между метками А и В.
2. При необходимости измерьте с помощью ареометра плотность жидкости r0.
3. Измерьте микрометром или штангенциркулем диаметр d шарика.
4. Бросив шарик в сосуд с жидкостью, измерьте время t прохождения шариком расстояния между метками А и В.
5. По формуле (7) вычислите вязкость жидкости h.
6. Аналогичные измерения проделайте с пятью шариками. Результаты измерений и вычислений заносите в таблицу 1 отчета.
7. По результатам всех опытов найдите среднее значение вязкости h.
8. Для оценки систематической погрешности измерения вязкости используйте расчетную формулу (7). Выведите формулу для вычисления относительной погрешности измерения. При этом условно считается, что табличные величины, входящие в формулу, не имеют погрешностей, а погрешности измеренных величин /, d, r определяются точностью приборов, использованных для их измерения.
9. Полученное значение вязкости сравните с табличной величиной для данной жидкости. При объяснении причин расхождения укажите какой из используемых измерительных приборов вносит в окончательный результат наибольшую погрешность.
Часть II. Определение вязкости воздуха по методу Пуазейля
Теория метода
При ламинарном движении жидкостей и газов по гладким цилиндрическим трубам расход (объем жидкости или газа, протекающих через поперечное сечение трубы за одну секунду), зависит от ее вязкости, диаметра трубы, ее длины и разности давления на ее концах. Соответствующее соотношение было выведено Пуазейлем и носит его имя.
V=Dp pr2Dt/hl ,
куда входят перепад давления, радиус трубы, длительность течения, коэффициент вязкости, длина трубы.
На основании этого соотношения разработан и широко применяется метод измерения вязкости жидкостей и газов - метод Пуазейля.
Для газов он состоит в измерении скорости ламинарного протекания газов в тонком капилляре с известными размерами и при контролируемой разности давлений. В данной работе по методу Пуазейля определяется вязкость воздуха. На величину вязкости газов большое влияние оказывают посторонние примеси. Для атмосферного воздуха, например, следует учитывать содержание водяных паров. В установках для точных измерений воздух перед поступлением в капилляр осушают различными, чаще всего химическими осушителями. Важно также помнить, что вязкость газов в большой степени зависит от их температуры, что также предусмотрено в лабораторных приборах.
Экспериментальная установка
Экспериментальная установка для определения воздуха (рис. 4) состоит из сосуда 1 со сливным шлангом 2, капилляра 3, мерительного стакана 4 и жидкостного манометра 5. Перед опытом сосуд заполняется водой. При опущенном шланге 2 уровень воды в сосуде уменьшается и возникает перепад давлений воздуха на концах А и В капилляра 3, который измеряется манометром 5. Освободившийся объем занимает воздух, проникающий в сосуд через капилляр. При этом объем вытекшей воды равен объему воздуха, прошедшему через капилляр.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
