10

Московский государственный технический

университет им. Н. Э. Баумана.

Калужский филиал.

Т.С. Китаева, Р.В. Нехаенко

«Определение коэффициента внутреннего

трения жидкости по методу Стокса»

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 13

по курсу механики, молекулярной физики и термодинамики.

Калуга 2006 г.

Цель работы: определить коэффициент внутреннего трения касторового масла по методу Стокса.

1. Теоретическая часть.

Внутреннее трение (вязкость) — это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой.

При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует «ускоряющая» сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует «тормозящая» сила.

Сила внутреннего трения тем больше, чем больше рассматриваемая площадь поверхности слоя (Рис. 1.), и зависит от того, насколько быстро меняется скорость течения жидкости при переходе от слоя к слою.

Пусть два слоя, отстоящие друг от друга на расстояние , движутся со скоростями и .

Рис. 1. К вопросу о силе внутреннего трения.

При этом

.

Направление, в котором отсчитывается расстояние между слоями, перпендикулярно скорости течения слоев. Величина , которая показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении «», перпендикулярном направлению движения слоев, называется градиентом скорости. Таким образом, модуль силы внутреннего трения равен:

(1)

где - коэффициент пропорциональности, зависит от природы жидкости и называется коэффициентом динамической вязкости или внутреннего трения; единицей измерения является , . 1 равен динамической вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем, равным 1 на 1 , возникает сила внутреннего трения в 1 на 1 поверхности касания слоев, то есть

.

Течение жидкости называется ламинарным (слоистым), если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними. Чем больше вязкость, тем сильнее жидкость отличается от идеальной, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают.

Вязкость зависит от температуры, причём характер этой зависимости для жидкостей и газов различен. Для жидкостей с увеличением температуры «» уменьшается, у газов наоборот увеличивается.

Это указывает на различие в них механизмов внутреннего трения.

Особенно сильно от температуры зависит вязкость масел.

Так, например, вязкость касторового масла в интервале температур 18-40 падает в 4 раза. Жидкий гелий при температуре 2,17 переходит в сверхтекучее состояние, в котором его вязкость равна нулю.

2. Экспериментальная часть.

Метод определения коэффициента внутреннего трения жидкости по Стоксу (метод Стокса) основан на измерении скорости медленно движущихся небольших тел сферической формы в жидкости. При движении шарика слой жидкости, граничащий с его поверхностью, прилипает к шарику и движется вместе с ним с одинаковой скоростью. Ближайшие, смежные слои жидкости также приводятся в движение, но получаемая ими скорость тем меньше, чем дальше они находятся от шарика.

Таким образом, при вычислении сопротивления среды следует учитывать трение отдельных слоев жидкости друг о друга, а не трение шарика о жидкость.

На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз (Рис. 2.), действуют три силы:

1. Сила тяжести: .

2. Сила Архимеда: .

3. Сила сопротивления, эмпирически установленная Стоксом:

Рис. 2. Движение шарика в жидкости вертикально вниз.

где , - плотности шарика и жидкости соответственно;

- радиус шарика;

- скорость шарика;

- коэффициент внутреннего трения жидкости;

- ускорение свободного падения.

Основное уравнение динамики поступательного движения шарика в жидкости (Рис. 2.) в проекции на ось «» имеет вид:

(2)

Сила сопротивления с увеличением скорости движения шарика возрастает, а ускорение уменьшается. Наконец, шарик достигает такой скорости , при которой ускорение становится равным нулю (установившееся движение). Тогда выражение (2) принимает вид:

(3)

Решая уравнение (3) относительно «», получаем:

(4)

где - скорость установившегося равномерного движения шарика.

Формула (4) справедлива для падения шарика в безграничной среде.

Если же шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда радиуса , то учёт наличия стенок приводит к следующему выражению для «»:

(5)

где - радиус цилиндрического сосуда, в котором находится жидкость.

Наличие таких границ, как дно сосуда и верхняя поверхность жидкости, формулой (5) не учитывается.

Экспериментальная установка, состоящая из стеклянной цилиндрической трубки с нанесёнными на неё через равные расстояния кольцевыми горизонтальными метками (всего восемь), наполняется исследуемой жидкостью так, чтобы уровень жидкости был на 5-8 выше верхней метки.

Для определения коэффициента внутреннего трения необходимо придерживаться следующей методики измерения.

Свинцовый шарик очень малого диаметра опускают в цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (касторовое масло) вблизи его оси. Глаз наблюдателя должен быть при этом установлен против верхней второй метки так, чтобы она сливалась в одну прямую. В момент прохождения шарика через эту метку включают секундомер.

После этого глаз наблюдателя помещают аналогичным образом против метки последнего (восьмого) кольца и в момент прохождения шариком через неё секундомер выключают.

Считая, что к моменту прохождения шариком верхней метки скорость его уже установилась, получим:

(6)

где - расстояние между метками, пройденное шариком, ;

- время прохождения шариком расстояния , измеренное секундомером, .