- •Изучение явления внутреннего трения
- •Указание по мерам безопасности при выполнении лабораторной работы
- •Изучение явления внутреннего трения
- •2.2. Закономерности движения реальной жидкости в цилиндрической трубе
- •2.3. Движение тел в жидкостях
- •3. Методика выполнения работы
- •3.1. Определение вязкости жидкости методом Стокса
- •3.2. Определение числа Рейнольдса, соответствующего переходу от ламинарного течения жидкости к турбулентному
- •3.3. Описание лабораторной установки
- •3.3.1. Определение вязкости жидкости методом Стокса
- •3.3.2. Определение числа Рейнольдса, соответствующего переходу от ламинарного течения жидкости к турбулентному
- •3.4. Порядок выполнения работы и задания.
- •3.4.1. Определение вязкости жидкости методом Стокса
- •3.4.2. Определение числа Рейнольдса, соответствующего переходу от ламинарного течения жидкости к турбулентному
- •4. Контрольные вопросы
- •5. Литература
2.3. Движение тел в жидкостях
Силы вязкости проявляются и при движении различных тел в жидкости, которые действуют на боковую поверхность тела в направлении, противоположном скорости тела относительно жидкости. Силы вязкости пропорциональны первой степени скорости, коэффициенту вязкости и линейным размерам тела l:
, (11)
где k1 – коэффициент пропорциональности.
Если в жидкости движется шарик небольшого радиуса r с малой скоростью v, то сила сопротивления равна:
. (12)
Эта формула впервые была получена Стоксом и носит его имя.
Кроме того на тело, движущееся в жидкости, действуют силы лобового сопротивления. Действительно, тела, находящиеся в жидкости, действуют на частицы жидкости, изменяют характер потока, перераспределяют в нем скорости и давления до и после движущихся тел. Однако, эти же тела, согласно третьему закону Ньютона, испытывают такие же по величине, но противоположно направленные силы. Результирующая этих сил отлична от нуля и направлена в сторону, противоположную скорости тела относительно жидкости. Расчет показывает, что силы лобового сопротивления пропорциональны плотности жидкости ρ, площади поперечного сечения тела S и квадрату скорости v:
, (13)
где k2 – коэффициент, зависящий от формы тела, состояния его поверхности и от вязкости жидкости.
Таким образом, и силы лобового сопротивления, и силы вязкости препятствуют движению тела в жидкости. При малых скоростях преобладают силы вязкости, пропорциональные первой степени скорости; при больших скоростях – силы лобового сопротивления, изменяющиеся по параболическому закону (рисунок 4).
Рис.4. Зависимость сил лобового сопротивления и вязкости от скорости движения тела в жидкости.
Число Рейнольдса Re при движении тел в жидкости, как видно из формул (11) и (13), прямо пропорционально отношению FЛ/FB и показывает, какой вид сопротивления преобладает. При Re≤1 преобладают силы вязкости, при Re>1 – силы лобового сопротивления. При создании моделей тел, движущихся в жидкости, число Рейнольдса является критерием подобия. Характер движения модели будет такой же, как и моделируемого тела при условии совпадения их чисел Рейнольдса.
3. Методика выполнения работы
3.1. Определение вязкости жидкости методом Стокса
Этот метод основан на исследовании условий движения шарика в вязкой жидкости. Размеры и плотность шарика выбираются такими, чтобы скорость его движения была невелика. В этом случае сила сопротивления определяется практически только вязкостью. Кроме силы вязкости f, на шарик, падающий в жидкости, действуют сила тяжести FT и сила Архимеда или выталкивающая сила FA (рисунок 5).
Рис.5. Схематическое изображение шарика в жидкости
В начале движения FT > FA+f и шарик движется ускоренно. При этом сила f, пропорциональная скорости шарика, увеличивается, пока равнодействующая всех этих сил не становится равной нулю и, далее, шарик движется в жидкости с постоянной скоростью v. Для этого случая запишем равенство FT = FA+f. Перепишем его, используя формулу Стокса
, (14)
где mш – масса шарика; mж – масса жидкости, вытесненной шариком; r – радиус шарика. Записав массу шарика и массу вытесненной им жидкости через плотности и объем, получим:
. (15)
Отсюда
.(16)