НИЖЕГОРОДСКИЙ ФИЛИАЛ РГОТУПС
ЛАБОРАТОРИЯ ФИЗИКИ
Лабораторная работа № 23.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА
Цель работы: измерение коэффициента внутреннего трения исследуемой жидкости, углубление знаний законов Ньютона.
Приборы и материалы: прозрачный цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью, металлические шарики, микрометр, линейка, секундомер.
Теоретическое введение
Если в газе или жидкости есть слои, которые движутся с различными скоростями, то со временем эти скорости выравниваются за счет беспорядочного теплового движения молекул. Переход молекул из быстрого слоя в более медленный сопровождается переносом импульса и вызывает появление сил, ускоряющих медленный слой. Противоположное по характеру действие оказывают молекулы медленного слоя, перешедшие в быстрый слой, - в этом слое возникают тормозящие силы. Суммарный эффект при этом - выравнивание скоростей слоев. Это явление называется внутренним трением или вязкостью.
Подобный механизм выравнивания неоднородной температуры, давления или концентрации газа (жидкости), обусловленный переносом энергии или массы, лежит в основе теплопроводности и диффузии. Поэтому внутреннее трение, теплопроводность и диффузия относятся к явлениям переноса.
Ньютон установил (см. рис. 1), что сила трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, зависит от площади соприкосновения слоев и быстроты, с которой меняется скорость при переходе от одного слоя к другому в направлении, перпендикулярном скорости движения слоев. Последняя величина носит название градиент grad v = 
, где dv = v1- v2.
Следовательно, согласно выводам Ньютона, сила внутреннего трения
FТР = -h s | |, (1)
где коэффициент пропорциональности h, зависящий от природы жидкости, называется коэффициентом внутреннего трения жидкости или коэффициентом динамической вязкости. Знак минус указывает, что сила внутреннего трения направлена против скорости движения более быстрого слоя. Данная формула справедлива только для случая, когда слои жидкости движутся в одном направлении.
Из формулы (1) и рис. 1 ясен физический смысл коэффициента динамической вязкости. Коэффициент динамической вязкости показывает, какова должна быть сила в Ньютонах, с которой необходимо перемещать верхний слой жидкости площадью 1 м2 со скоростью 1 м/с относительно слоя жидкости, находящегося на глубине 1 м.
Единица вязкости - Па×с.
Чем больше вязкость, тем больше силы трения в ней возникают. Вязкость зависит от температуры, причем для газов и жидкостей по-разному. В газах вязкость возрастает с повышением температуры. В жидкостях вязкость убывает. Особенно сильно от температуры зависит вязкость масел. Например, вязкость касторового масла в интервале 18° - 40°С падает в четыре раза.
В жидкостях существуют два режима течения. Течение называется ламинарным, если вдоль потока каждый выделенный тонкий слой движется не перемешиваясь с другими слоями. При турбулентном течении происходит перемешивание слоёв и образование вихрей.
При движении в трубе ламинарное течение жидкости наблюдается при небольших скоростях её движения. Слой жидкости, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности трубы, по которой она течёт, из-за сил межмолекулярного сцепления прилипает к ней и остаётся неподвижным. Скорости течения последующих слоёв тем больше, чем больше их расстояние до стенки трубы, и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы.