Файл: Лабораторная работа 3 определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу стокса студентка гр. Уп5122.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 12.12.2023

Просмотров: 57

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова»

Кафедра общей физики

Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА

Выполнила: студентка гр. УП-51-22

Ляпина Мария Игоревна

Принял: доц. Петров Н.И

Г. Чебоксары 2023

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА

Цель работы - экспериментальное определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.

Краткая теория: Закон вязкого (внутреннего) трения был установлен Ньютоном. Он задает перенос импульса в слоях жидкости и имеет вид

F   S

где F – касательная сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости друг относительно друга; S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг; – градиент скорости течения жидкости (быстрота изменения скорости от слоя к слою).

В результате внутреннего трения происходит ускорение медленно движущихся и замедление быстро движущихся соседних слоев жидкости.

Коэффициент пропорциональности – коэффициент внутреннего трения жидкости (коэффициент вязкости жидкости). В СИ размерность [] = [Пас]. В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т коэффициент внутреннего трения жидкости  практически не зависит от градиента скорости.

Вязкость жидкостей (в отличие от вязкости газов) обусловлена в основном межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В настоящее время еще не существует адекватной теории вязкости жидкости, поэтому коэффициенты внутреннего трения определяются экспериментально.

Одним из методов экспериментального определения коэффициента внутреннего трения вязких жидкостей является метод Стокса. При движении тела в жидкости на тело действует сила сопротивления. Стокс вывел формулу для силы сопротивления, действующей на шар, движущийся в жидкости поступательно и с постоянной скоростью (вывод этой формулы требует знания специальных функций, поэтому мы его здесь не приводим). Формула Стокса имеет вид


 6 rυ,

где F – сила сопротивления жидкости при движении шара;  – коэффициент внутреннего трения; r – радиус шара;  – скорость поступательного движения шара.

Следует отметить, что формула Стокса справедлива лишь при условии, что придвижении шара не возникает турбулентность (завихрение) жидкости. Движение прилегающих к шару слоев жидкости должно быть ламинарным. Это условие выполняется при

Rе  ,1

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

Отметим, что критерии подобия дают возможность подбирать оптимальные условия эксперимента; они широко используются в гидродинамике, явлениях переноса, теории теплопередачи и др. Критерии подобия дают правила пересчета с модели на натуральную конструкцию для явлений, в которых необходимо учитывать большое число факторов.

Порядок выполнения работы.

  1. Выписать данные со стенда установки и измерительных приборов.

  2. Определить температуру Т воздуха в лаборатории (жидкость имеет температуру, равную температуре Т). 27

  3. Измерить диаметр шарика d с помощью микрометра. Измерения проводить не менее трех раз; шарик при этом надо поворачивать (его форма может отличаться от сферической). Если отличия значительны, такой шарик следует забраковать. Результаты измерений внести в таблицу. Рассчитать среднее значение диаметра данного шарика dср. Результат внести в таблицу. Примечание. При получении шариков у лаборанта следует подобрать шарики одинаковых размеров.

  4. Аккуратно опустить шарик в сосуд (как можно ближе к оси симметрии).

  5. Секундомером измерить время  прохождения шариком расстояния L между кольцами 3 и 4. Необходимо следить, чтобы в моменты включения и выключения секундомера (в моменты прохождения шариком колец 3 и 4 соответственно) глаз наблюдателя располагался на уровне соответствующего кольца. Результат измерения времени  внести в таблицу.

  6. 5 Пункты 3-5 повторить для остальных шариков.

Обработка результатов измерений

Плотность материала шариков: 1 = 7,9 * ; 1 =

плотность жидкости: 2 = 1,26* ; 2 =

расстояние между кольцами 3 и 4 L =250 мм ; L =

Температура жидкости Т = 24ºC; Т =

Жидкость: глицерин

№ опыта
, мм

мм
мм
dср, мм

, с




3,00
3,02
3,03
3,01
2

2,09
2,22

Формула коэффициента внутреннего трения жидкости :

  1. 

  2.  =242,775244

  3.  =253,700131

  4. 

ср255,318632

Погрешность косвенного измерения рассчитать по формуле



=

Контрольные вопросы

  1. Дайте определение явлению внутреннего трения (вязкости).

Явление внутреннего трения (вязкости) связано с возникновением сил трения между двумя слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг относительно друга с различными скоростями. Причиной вязкости является перенос молекулами импульса из одного слоя газа в другой (поперек направления движения слоев

  1. Запишите закон Ньютона для внутреннего трения.

Сила внутреннего трения, действующая на единицу площади поверхности слоя, прямо пропорциональна проекции градиента скорости направленного движения на направление быстрейшего возрастания скорости :


F=-n

  1. Объясните понятие градиента упорядоченной скорости жидкости.

Величина v/x называется градиентом скорости и показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев

  1. Какие силы действуют на шарик при его движении в жидкости?

1. Сила тяжести Р = mg, направленная верти­кально вниз.

2. Выталкивающая сила FB, направленная вертикально вверх.

3. Сила трения FTp, направленная также верти­кально вверх.

  1. Почему метод Стокса не применяют для определения коэффициента внутреннего трения воздуха?

Воздух имеет очень малую вязкость. Невозможно провести измерение в воздушной среде.

  1. Зависит ли коэффициент внутреннего трения жидкости от температуры? Проанализируйте данные Вашего повседневного опыта. Можете ли Вы объяснить эту зависимость с молекулярно-кинетической точки зрения?

Коэффициент внутреннего трения зависит от природы жидкости и ее температуры. С повышением температуры коэффициент внутреннего трения уменьшается, т. к. увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, уменьшаются силы взаимного притяжения между ними.

  1. Поясните, какое движение называют ламинарным, турбулентным?

Ламинарный режим - слоистое течение жидкости без перемешивания частиц, без пульсации скоростей и давлений, без перемешивания слоев и вихрей.

Турбулентый режим - течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием смещением слоев друг относительно друга и пульсациями скоростей и давлений.

Смотрите также файлы