Измерение вязкости жидкости методом Стокса

Лабораторная работа №12

 

Цель работы: измерение коэффициента внутреннего трения методом Стокса.

 

Оборудование: трубка с жидкостью, подставка, стальной шарик, электромагнит, оптодатчики – 2 шт., измерительный блок L-микро, блок питания.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Сила сопротивления F_c, действующая со стороны жидкости на медленно движущееся в ней тело шарообразной формы, выражается формулой Стокса:

 

,                                             (1)

 

где R - радиус тела, v - его скорость, а  - динамическая вязкость жидкости. На применении этой формулы основывается метод измерения динамической вязкости, называемый методом Стокса. При определении вязкости по методу Стокса измеряется скорость установившегося (равномерного) падения небольшого шарика в жидкости.

 

Рис. 1

 

 

На шарик, падающий в вязкой жидкости, действуют три силы (Рис.1) - сила тяжести Р, направленная вниз, выталки­вающая сила - сила Архимеда F _А, направленная вверх и сила со­противления Fc, направленная против движения, т.е. тоже вверх.

 

 

Если опустить шарик в жидкость, то он вначале он будет двигаться ускоренно, т.к. P>F_A+F_C. Сила сопротивления F_c будет расти согласно формуле Стокса до тех пор, пока не наступит рав­новесие сил:

 

(2)

 

С этого момента движение шарика будет равномерным. Из уравнения (2) и определяется коэффициент вязкости.

 

Силу тяжести находим по объему V и плотности  металлического шарика:

 

                               (3)

 

Силу Архимеда определяем по объему шарика и плотности жидкости ρ :

 

             (4)

 

Подставляя в (2) выражения (1), (3), (4) получим:

 

                     (5)

 

Решение уравнения (5) относительноŋ дает расчетную формулу:

 

 

                                    (6)

 

 

 

В лабораторной работе непосредственно измеряется скорость шарика vв жидкости при равномерном движении. Величины R, р_т и р даны в таблице 2.

 

 

 

1. Соберите установку для измерения вяз­кости как показано на рис.2. Оптодатчики (1 и 2) необходимо вставить сбоку в соответствующие прорези основания (3). При этом расстояние ме­жду оптическими осями датчиков составит 30 мм. Катушка электромагнита (4) закрепляется на металлическом стержне (5), выходящем из пробки которой закрыта трубка (6). При прове­дении измерений трубка (6) вставляется в отвер­стие основания (3). 2. Подключите измерительный блок L-микро к разъему последовательного порта компьютера и включите его в сеть (220В, 50Гц). Девятиштырьковый разъем кабеля электромаг­нита подсоедините к третьему каналу измери­тельного блока, а на два штекера этого кабеля подайте постоянное напряжение 6В от блока пи­тания. В первый и второй каналы измерительно­го блока включите оптодатчики (рис. 3). Вклю­чите измерительный блок L-микро. 3. Запустите программу L-MICROW→ ENTER→l-demon.exe→ENTER.  Выбе­рите пункт меню «СПИСОК ОПЫТОВ»и в поя­вившемся на экране списке выберите лаборатор­ную работу «Измерение вязкости жидкости методом Стокса».

4. Выберите пункт меню «ИЗМЕРЕНИЕ». При этом будет подано напряжение питания на электромагнит, переверните трубку с жидкостью для того, чтобы шарик примагнитился к электромагниту. Вставьте трубку обратно в основание и произведите запуск (отключите питание электромагнита нажатием клавиши ENTER  на экране), время пролета шарика между оптическими осями датчиков появится на экране компьютера. Его необходимо внести в таблицу 1.

Таблица 1

Время движения шарика, с							<t>, c

 

4. Проведите опыт 5-10 раз. Иногда шарик падает не по оси цилиндра с жидкостью, а ближе к стенке. В этом случае его движение не регистрируется оптодатчиками, и опыт необходимо повторить. Вычислите усредненное значение времени движения шарика между оптодатчиками <t>. В таблице 2 рассчитайте скорость шарика и определите вязкость жидкости на основании расчетной формулы.

5.

Таблица 2

R, м	103 кг/м3	103 кг/м3	l, м		η, кг/(м с)
0.00255	1.18	7.8	0.03

 

1.  Включать в сеть измерительный блок L-микро можно только после его подключения к разъему последовательного порта компьютера.

2.  Осторожно обращаться со стеклянной трубкой. Переворачивать ее необходимо на минимальной высоте над столом.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Для допуска к работе

1.Какое явление изучается в данной работе?

2.Какую роль играет шарик, движущийся в жидкости, в явлении внутреннего трения?

3.Какая величина является конечным результатом данного эксперимента?

4.Какие величины нужно измерить в процессе выполнения работ?

5.Как должно быть расположено отчетное кольцо относительно уровня жидкости и почему?

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Для сдачи работы

1.В чем заключается сущность явлений переноса?

2.Сформулируйте закон Ньютона для внутреннего трения. Каков физический смысл динамического коэффициента внутреннего трения?

3.Сформулируйте закон Фурье, Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?

4.Сформулируйте закон Фика. Каков физический смысл коэффициента диффузии?

5.В каких случаях сила сопротивления движению шарика в жидкости может быть рассчитана по формуле Стокса?

6.Сделать вывод формулы для определения коэффициента вязкости.

7. Вывести формулу Стокса.