Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений. Теоретические положения
Теоретические положения
Вязкостью или внутренним трением называют свойство реальных жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости (газа) относительно другой. При перемещении одних слоев жидкости (газа) 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.
Величина силы внутреннего трения 
в жидкостях и в газах определяется законом Ньютона:
,
где 
– динамический коэффициент вязкости, Па×с; 
– градиент скорости, характеризующий изменение скорости течения 
в направлении оси z, перпендикулярной к поверхности слоя, 1/с; 
– площадь поверхности слоя, 
.
Жидкость (газ), в которой отсутствует внутреннее трение, называется идеальной. Чем больше коэффициент вязкости, тем сильнее реальная жидкость (газ) отличается от идеальной. Коэффициент вязкости зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен. У жидкостей коэффициент вязкости с повышением температуры уменьшается, а у газов, наоборот, увеличивается. Это указывает на различие механизмов внутреннего трения в жидкостях и газах.
Природа внутреннего трения в газах объясняется переносом импульса молекулами из слоя в слой вследствие их теплового хаотического движения. В жидкостях механизм внутреннего трения совершенно иной. Молекулы жидкости не обладают полной свободой перемещения и проводят большую часть времени в колебательном движении около положения равновесия. Движущиеся слои увлекают соседние слои в основном за счет сил взаимодействия (сцепления) между молекулами жидкости.
Коэффициент вязкости может быть найден опытным путем. В эксперименте, схема которого изображена на рисунке 9.1, маленький шарик массой m погружают в вязкую жидкость, отпускают и наблюдают за его падением в жидкости под действием трех сил: силы тяжести 
( 
– ускорение свободного падения); силы Архимеда 
и силы сопротивления 
. Опытные данные показывают, что по истечении некоторого времени с момента начала падения, движение шарика становится равномерным. В этом случае уравнение второго закона Ньютона для движущегося шарика принимает вид
.
Запишем это уравнение в проекциях на направление движения:
 , | (9.1) |
Масса шарика равна 
 , | (9.2) |
где 
– радиус шарика;
– плотность материала, из которого выполнен шарик.
В соответствии с законом Архимеда
 , | (9.3) |
где 
– плотность жидкости.
При малых скоростях 
движения тела в вязкой жидкости силу сопротивления можно определить по закону Стокса. Для тела, имеющего форму шара:
 , | (9.4) |
Подставляя значения 
, 
и 
из выражений (9.2), (9.3) и (9.4) в уравнение (9.1), получаем:
.
Выражаем из этого уравнения коэффициент вязкости:
 , | (9.5) |
Полученная формула позволяет экспериментально определить коэффициент вязкости, если известны радиус шарика , плотность материала , из которого выполнен шарик, плотность жидкости и скорость равномерного падения шарика в вязкой жидкости.
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1.Записать перечень приборов и принадлежностей и их характеристики в отчет о лабораторной работе.
2.В качестве вязкой жидкости в опытах используется смесь глицерина с водой, помещенная в цилиндрический сосуд. С помощью микроскопа следует измерить диаметр шарика, а затем погрузить шарик в жидкость и отпустить его. После того, как шарик опустится на 5-10 см и его движение станет равномерным, включить секундомер и измерить время падения шарика между выбранными метками шкалы. Зная время падения t и расстояние l, пройденное шариком за это время, рассчитать скорость движения:
.
3.Рассчитать динамический коэффициент вязкости жидкости по формуле (9.5).
4.Повторить опыты с разными шариками не менее четырех раз. Результаты измерений записать в таблицу 9.1.
Таблица 9.1 – Результаты измерений
| Номер опыта | r | l | t | υ | η |
5.Рассчитать среднее арифметическое из всех измеренных значений коэффициента вязкости.
6.Оценить случайную абсолютную и относительную погрешность измерения коэффициента вязкости.
7.Сравнить полученные опытные данные со справочными данными.
8.Проанализировать полученные результаты.
Контрольные вопросы
1. Каков характер температурной зависимости коэффициента вязкости для жидкостей и газов?
2. В чем различие механизмов внутреннего трения в жидкостях и газах с точки зрения молекулярно-кинетической теории.
3. Можно ли за начало отсчета при проведении опытов выбирать верхнюю границу жидкости?
*Аникин А.И. Механика: методические указания к выполнению лабораторных работ по физике / А.И. Аникин – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2008. – 49 с.