Описание метода и установки для определения коэффициента вязкости

Установка для определения коэффициента вязкости состоит из высокого цилиндрического сосуда, наполненного исследуемой жидкостью (см. рис. 2).

 

Метод Стокса основан на определении скорости медленно движущихся в жидкости тел сферической формы. Рассмотрим падение тела (в нашем случае – металлического шарика) в вязкой покоящейся жидкости. На тело действуют следующие силы:

1. Сила тяжести, направленная вертикально вниз:

, (4),

где - радиус шарика, – плотность материала шарика, - ускорение свободного падения.

2. Сила Архимеда, направленная вертикально вверх:

, (5)

где V_ш – объем шарика, – плотность жидкости,

3. Сила сопротивления (эмпирически установленная

Дж. Стоксом), направленная вертикально Рис.2 вверх:

Рис 2

, (6)

где v – скорость падения тела.

Выражение (6) справедливо при обтекании тела жидкостью (газом) без образования вихрей.

Направление сил показано на рис 2.

Рис 2

При движении тела в жидкости, ее молекулы взаимодействуют с молекулами тела. За счет действия межмолекулярных сил в процесс движения вовлекаются соседние молекулы жидкости. Появляется слой жидкости, движущийся вместе с телом со скоростью движения тела. Этот слой увлекает в своем движении соседние слои жидкости, которые на некоторый период времени приходят в плавное безвихревое движение (случай малых скоростей и малых размеров тела).

Вначале скорость движения тела будет возрастать, так как сила тяжести больше суммы сил сопротивления и силы Архимеда.

По второму закону Ньютона:

(7)

По мере увеличения скорости тела сила сопротивления будет также возрастать, наступит такой момент, когда сила тяжести уравновесится суммой сил и , т. е. можно считать, что тело падает с постоянной скоростью. Ускорение станет равным нулю и формула (7) с учетом (4), (5), (6) запишется так:

. (8)

Учитывая, что скорость тела постоянна и равна:

, (9),

где– путь, пройденный в жидкости, t- время, а также, что диаметр тела , для коэффициента вязкости из (8), учитывая (9), получим:

 

(10)

Выражение (10) справедливо лишь при условии d<<D, где D – диаметр сосуда, в который помещается исследуемая жидкость. На практике также необходимо следить за тем, чтобы при движении тело не приближалось к стенкам сосуда.

 

1. Экспериментальная часть.