Измерение вязкости жидкости: Методические указания к лабораторной работе

Учебно-методическое издание

Лагидзе Раули Михайлович

Харитонов Юрий Николаевич

Измерение вязкости жидкости

Методические указания к лабораторной работе №146

по дисциплине «Физика»

Под редакцией профессора Курушина А.Д.

 

Подписано к печати             Заказ №            Формат 60х84х21/16

Усл.печ.л.                         Изд. №                      Тираж 300 зкз.

 

127994, Москва, ул. Образцова 15. Типография МИИТа

РАБОТА №146

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы. Измерение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости методом Стокса.

Приборы и принадлежности. Вискозиметр с жидкостью; твердые шарики; мерная линейка; секундомер.

Введение

Вязкостью или внутренним трением называется свой­ство всех веществ оказывать сопротивление их течению-перемещению одного слоя вещества относительно другого.

Внутреннее трение представляет собой одно из яв­лений переноса и определяется тепловым движением, раз­мерами и формой молекул, действием молекулярных сил.

Для объяснения возникновения сил вязкости рас­смотрим две параллельные пластинки, разделенные слоем жидкости           (рис. 1).

Рис. 1

Пусть нижняя пластинка удерживается неподвижно, а верхняя движется параллельно нижней в направлении х. Мысленно разделим весь слой жидкости на ряд тонких па­раллельных слоев. Молекулы слоя, прилегающие к верхней пластинке, «прилипают» к ней и перемещаются вместе с ней с той же скоростью. Этот слой жидкости увлекает за собой следующий слой, который перемещается с меньшей скоростью и т.д.

Слой жидкости, прилегающий к нижней неподвиж­ной пластинке, остаётся в покое. Чем больше удален слой от нижней пластинки, тем быстрее он перемещается. Быст­роту изменения скорости можно охарактеризовать отноше­нием  , где    -  разность скоростей двух слоев жид­кости, расстояние между которыми равно . Предел этой величины равен

(где - градиент скорости. Здесь ось y перпендику­лярна направлению перемещения жидкости).

Вязкость жидкости проявляется в её сопротивлении относительному сдвигу соприкасающихся слоев, а, следо­вательно, и пластинок. Возникающая при этом сила сопро­тивления называется силой внутреннего трения.

И. Ньютон в 1687 году сформулировал закон, согла­сно которому при ламинарном (безвихревом) течении жид­кости сила внутреннего трения пропорциональна градиен­ту скорости:

(где S - площадь поверхности соприкосновения двух слоев, смещающихся друг относительно друга; - коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения жидкости).

При больших скоростях ламинарное течение жид­кости переходит в турбулентное (вихревое) и закон нару­шается.

В системе СИ единицей вязкости является 1 Па·с. Это величина, при которой 1 м² слоя жидкости испытывает действие силы в 1 Н при градиенте скорости 1 с^-1 .

Вязкость газа обусловлена тепловым движением молекул, она увеличивается с повышением температуры. В отличие от газов, молекулы жидкости большую часть времени находятся вблизи положения равновесия, и поэтому движущийся слой жидкости увлекает соседние слои в основном за счёт моле­кулярных сил сцепления. Вязкость жидкости убывает с по­вышением температуры. Так при повышении температуры воды от 0°С до 100°С её вязкость уменьшается с 1,8·10^-3 до 2,8·10^-4 Па·с. Особенно сильно она меняется у масел; например, у касторового масла при перепаде температуры с 18⁰С до 40⁰С вязкость уменьшается в четыре раза.

Отмеченные выше свойства жидкости, рассмотрен­ные для случая плоскопараллельных её слоев, остаются справедливы и при движении других тел в жидкости, од­нако, при этом следует учитывать ещё возможность вли­яния таких факторов как форма и размеры тела, характер обтекания их жидкостью и т. д.

Описание установки и методика измерения

Приборы, служащие для измерения вязкости, назы­ваются вискозиметрами. В данной работе применяется вис­козиметр, основанный на использовании метода Стокса, в основе которого лежат процессы, определяющие характер свободного движения твёрдого шарика, опущенного в жид­кость. В этом случае на шарик действуют три силы (рис. 2).