Описание метода и экспериментальной установки. Определение вязкости жидкости методом Стокса.

Лабораторная работа 2.5.

Определение вязкости жидкости методом Стокса.

Библиографический список

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 1.

Цель работы: определение вязкостей жидкостей.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Определение вязкости жидкости методом Стокса», штангенциркуль, секундомер, термометр, шарики из материала известной плотности.

Описание метода и экспериментальной установки

Стокс установил, что при малых скоростях движения тела шарообразной формы в жидкости, когда не возникает вихрей, сила сопротивления движению обусловлена только вязкостью жидкости. Слой жидкости, смачивающей твердое тело, увлекается не полностью. Следующий слой движется за телом с меньшей скоростью, более удаленный слой – с еще меньшей скоростью, следующий за ним слой – с еще меньшей скоростью и т. д.

Согласно закону Стокса сила сопротивления (сила вязкого трения) прямо пропорциональна первой степени скорости движения тела, коэффициенту вязкости и линейным размерам тела. По формуле Стокса для шаров, движущихся в вязкой жидкости, сила внутреннего трения равна

, (1)

где r — радиус шарика, h — коэффициент вязкости,
v — скорость движения шарика.

Схема экспериментальной установки для определения вязкости по методу Стокса показана на рис. 1 и состоит из 3-х вертикальных стеклянных цилиндров 1, укрепленных вместе на вращающейся раме. Высота каждого цилиндра 1 м, а диаметр 50 мм. Диаметр цилиндра значительно больше диаметра шарика. Сверху цилиндр закрывают пробкой 2 с отверстием для опускания шарика.

Для удобства наблюдения за движением шарика в цилиндре включают электрический подсвет 4. Время движения шарика отсчитывают по секундомеру. В верхней части цилиндра сделана отметка 5, ниже которой можно считать движение шарика равномерным. Цилиндр заполняют исследуемой жидкостью.

На шарик, движущийся в вязкой жидкости, действуют три силы:

1) сила тяжести

;

2) выталкивающая сила Архимеда

;

3) сила вязкого трения, которую по Стоксу выражают формулой

:

где r — радиус шарика;
— плотность материала шарика;
— плотность жидкости;
— коэффициент внутреннего трения (вязкости);
u — скорость падающего шарика.

При увеличении скорости падающего тела сила возрастает, и если путь падения шарика внутри жидкости достаточно велик, то при условии движение шарика будет равномерным со скоростью . Для установившегося равномерного движения справедливо равенство

.

Откуда получается расчетная формула:

(2)