WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY Z PRAWA STOKESA



Podobne dokumenty
POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY NA PODSTAWIE PRAWA STOKESA

Ćw. M 12 Pomiar współczynnika lepkości cieczy metodą Stokesa i za pomocą wiskozymetru Ostwalda.

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 13: Współczynnik lepkości

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY NA PODSTAWIE PRAWA STOKESA

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI POWIETRZA

12 K A TEDRA FIZYKI STOSOWANEJ P R A C O W N I A F I Z Y K I

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy oraz zależności lepkości od temperatury

ZAKŁAD POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I SILNIKÓW SPALINOWYCH ZPSiSS WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Wyznaczanie gęstości i lepkości cieczy

Ćwiczenie 402. Wyznaczanie siły wyporu i gęstości ciał. PROSTOPADŁOŚCIAN (wpisz nazwę ciała) WALEC (wpisz numer z wieczka)

Laboratorium Podstaw Fizyki. Ćwiczenie 100a Wyznaczanie gęstości ciał stałych

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA ROK SZKOLNY 2017/ ) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych

Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy za pomocą wiskozymetru Höpplera (M8)

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

DZIAŁ TEMAT NaCoBeZu kryteria sukcesu w języku ucznia

Anna Nagórna Wrocław, r. nauczycielka chemii i fizyki

ĆWICZENIE I POMIAR STRUMIENIA OBJĘTOŚCI POWIETRZA. OPORY PRZEPŁYWU PRZEWODÓW WENTYLACYJNYCH

mgr Anna Hulboj Treści nauczania

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Ćwiczenie 2: Wyznaczanie gęstości i lepkości płynów nieniutonowskich

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

Ćwiczenie 13. Współczynnik lepkości

Ćwiczenie 5: Wyznaczanie lepkości właściwej koloidalnych roztworów biopolimerów.

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

To jest fizyka 1. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

Ćwiczenie: "Ruch po okręgu"

POMIARY POŚREDNIE. Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych P o l i t e c h n i k a P o z n ańska

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI 1

Rys. 1Stanowisko pomiarowe

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy I gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Ćwiczenie 425. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych. Woda. Ciało stałe Masa kalorymetru z ciałem stałym m 2 Masa ciała stałego m 0

FIZYKA. karty pracy klasa 3 gimnazjum

Prędkości cieczy w rurce są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni przekrojów rurki.

POMIARY POŚREDNIE POZNAŃ III.2017

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W ZAKŁADZIE BIOFIZYKI. Ćwiczenie 5 POMIAR WZGLĘDNEJ LEPKOŚCI CIECZY PRZY UŻYCIU

Doświadczalne badanie drugiej zasady dynamiki Newtona

Badania modelowe przelewu mierniczego

WYZNACZANIE GĘSTOŚCI CIECZY ZA POMOCĄ WAGI HYDROSTATYCZNEJ. Wyznaczenie gęstości cieczy za pomocą wagi hydrostatycznej.

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Ćwiczenie: "Kinematyka"

KLASA I PROGRAM NAUCZANIA DLA GIMNAZJUM TO JEST FIZYKA M.BRAUN, W. ŚLIWA (M. Małkowska)

Max liczba pkt. Rodzaj/forma zadania. Zasady przyznawania punktów zamknięte 1 1 p. każda poprawna odpowiedź. zamknięte 1 1 p.

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

WYZNACZANIE ROZMIARÓW

LABORATORIUM PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ DLA PROCESÓW MECHANICZNYCH

SPRAWDZIAN NR Oceń prawdziwość każdego zdania. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, lub F, jeśli jest

ĆWICZENIE NR 1 POMIARY LEPKOŚCI PŁYNÓW REOLOGICZNYCH

4. Jeżeli obiekt waży 1 kg i porusza się z prędkością 1 m/s, to jaka jest jego energia kinetyczna? A. ½ B. 1 C. 2 D. 2

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW. Ćwiczenie N 2 RÓWNOWAGA WZGLĘDNA W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

Ćwiczenie 1: Podstawowe parametry stanu.

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

Fizyka Podręcznik: Świat fizyki, cz.1 pod red. Barbary Sagnowskiej. 4. Jak opisujemy ruch? Lp Temat lekcji Wymagania konieczne i podstawowe Uczeń:

Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy na podstawie prawa Stokesa

W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

m 0 + m Temat: Badanie ruchu jednostajnie zmiennego przy pomocy maszyny Atwooda.

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

KONKURS FIZYCZNY dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego 27 stycznia 2012 r. zawody II stopnia (rejonowe) Schemat punktowania zadań

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI BRYŁY METODĄ DRGAŃ SKRĘTNYCH

Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy oraz zależności lepkości od temperatury

ZADANIA Z FIZYKI NA II ETAP

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

Program nauczania Fizyka GPI OSSP

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

( ) ( ) Frakcje zredukowane do ustalenia rodzaju gruntu spoistego: - piaskowa: f ' 100 f π π. - pyłowa: - iłowa: Rodzaj gruntu:...

Laboratorium metrologii

1. Część teoretyczna. Przepływ jednofazowy przez złoże nieruchome i ruchome

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów województwa lubuskiego. Schemat punktowania zadań

FIZYKA klasa VII

POMIAR LEPKOŚCI WYZNACZANIE ŚREDNIEJ MASY CZĄSTECZKOWEJ

Ćwiczenie 4. Pomiary rezystancji metodami technicznymi

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Świat fizyki Gimnazjum Rozkład materiału - WYMAGANIA KLASA I

BADANIE PROCESU SEDYMENTACJI ZAWIESINY

Od redakcji. Symbolem oznaczono zadania wykraczające poza zakres materiału omówionego w podręczniku Fizyka z plusem cz. 1.

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Temat: kruszyw Oznaczanie kształtu ziarn. pomocą wskaźnika płaskości Norma: PN-EN 933-3:2012 Badania geometrycznych właściwości

Test powtórzeniowy nr 1

DOPUSZCZAJĄCY DOSTATECZNY DOBRY BARDZO DOBRY CELUJĄCY

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA - KLASA VII. OCENA OSIĄGNIĘCIA UCZNIA Uczeń:

Krystyna Gronostaj, Magdalena Bacior Zakład Fizyki, Uniwersytet Rolniczy ĆWICZENIE 1 WYZNACZANIE GĘSTOŚCI CIAŁ STAŁYCH. Kraków, luty, 2016

Ćwiczenie 3: Wyznaczanie gęstości pozornej i porowatości złoża, przepływ gazu przez złoże suche, opory przepływu.

DOŚWIADCZENIE MILLIKANA

1.10 Pomiar współczynnika lepkości cieczy metodą Poiseuille a(m15)

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 9: Swobodne spadanie

Zestaw zadań na I etap konkursu fizycznego. Zad. 1 Kamień spadał swobodnie z wysokości h=20m. Średnia prędkość kamienia wynosiła :

Transkrypt:

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA LEPKOŚCI CIECZY Z PRAWA STOKESA I. Cel ćwiczenia: obserwacja ruchu ciał stałych w ciekłym ośrodku lepkim, pomiar współczynnika lepkości gliceryny przy wykorzystaniu prawa Stokesa. II. Przyrządy: III. Literatura: wysoki cylinder o średnicy kilku centymetrów napełniony gliceryną, waga laboratoryjna, śruba mikrometryczna, suwmiarka, termometr, areometr, stoper. [] H. Hofmokl, A. Zawadzki Laboratorium fizyczne, [] J. L. Kacperski - I pracownia fizyczna, [3] F. Nozdriew (praca zbiorowa) Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki ogólnej. [4] T. Rewaja (praca zbiorowa) Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki na politechnice IV. Wprowadzenie We wszystkich cieczach rzeczywistych przy przesuwaniu się jednych warstw względem drugich powstają siły tarcia. Od strony warstwy poruszającej się szybciej działa na warstwę poruszającą się wolniej siła przyśpieszająca. Natomiast od strony warstwy poruszającej się wolniej na warstwę szybszą działa siła hamująca. Siły te działają stycznie do powierzchni warstw. Podczas ruchu ciała w cieczy, na skutek występowania sił międzycząsteczkowych, przylega do jego powierzchni warstwa cieczy i jest ona przez tę powierzchnię unoszona. Następna warstwa jest unoszona przez ciało ale już z mniejszą prędkością. Tak więc podczas ruchu ciała w cieczy powstają w niej siły tarcia wewnętrznego zwane inaczej siłami lepkości. W doświadczeniu wyznaczymy współczynnik lepkości cieczy charakteryzujący jej lepkość. Wykorzystamy w tym celu wzór Stokesa, opisujący opór jakiego ze strony ośrodka lepkiego doznaje poruszająca się kulka. Opór stawiany przez ośrodek jest tym większy, im większe są rozmiary kulki i jej prędkość oraz lepkość ośrodka. Wielkość kulki określa jednoznacznie jej promień, a miarą lepkości jest tzw. współczynnik lepkości dynamicznej η, który definiuje się w oparciu o wzór Newtona dv f = η dy dv gdzie f oznacza siłę działającą na jednostkę powierzchni, jest gradientem prędkości. dy Współczynnik η jest równy liczbowo takiej sile działającej na jednostkę powierzchni, która jest niezbędna do utrzymania jednostkowej różnicy prędkości pomiędzy dwiema równoległymi warstwami cieczy, odległymi od siebie o jednostkę długości. Jednostka współczynnika lepkości (bez nazwy) ma w układzie SI wymiar () dy [η] = [f] dv = N m s = m kg s ()

Dawniej używaną jednostką w układzie CGS (centymetr gram sekunda) był puaz P (niekiedy używany również obecnie) P = 0 N m s Lepkość dynamiczna odniesiona do gęstości cieczy ρ nazywa się lepkością kinematyczną i jest oznaczana symbolem ν η ν = ρ Jednostką lepkości kinematycznej w układzie SI jest [ ν ] = m s. We wspomnianym układzie CGS jednostką był stokes: St = cm s. Jednostki te pozostają ze sobą w relacji St = 0 4 m s Współczynnik lepkości wyznaczamy za pomocą przyrządów zwanych wiskozymetrami. Pozwalają one wyznaczyć również zależność współczynnika lepkości od temperatury poprzez możliwość termostatowania cylindra pomiarowego. Ze wzrostem temperatury lepkość wszystkich cieczy maleje (z wyjątkiem wody w zakresie temperatur 4 o C). Zależność współczynnika lepkości od temperatury opisuje funkcja wykładnicza η = Ae gdzie: A, B wielkości charakterystyczne dla danej cieczy B T Wielkości charakteryzujące ruch w ośrodku lepkim Tabela Wielkości fizyczne Oznaczenia Wymiary Opór stawiany przez ośrodek F s LMT Lepkość ośrodka η L MT Prędkość kulki v LT Promień kulki r L W tab. zamieszczono informacje o wielkościach określających opór ośrodka. Przez L oznaczono wymiar długości, przez M wymiar masy a przez T wymiar czasu. Nasze odczucie i obserwacje doświadczalne mówią nam, że im większe są promień i prędkość kulki oraz lepkość ośrodka, tym większy jest opór stawiany kulce. Zapiszemy to w postaci potęgowej F s = C η a v b r c (3) gdzie C jest stałą, a, b, c, nieznanymi wykładnikami. Znajdziemy je wykorzystując tzw. analizę wymiarową. W dowolnym równaniu fizycznym wymiary prawej i lewej strony muszą być jednakowe a to oznacza, że w równaniu (3) musi być [F s ] = [η a v b r c ] Podstawiając w zależności (3) znane wymiary poszczególnych wielkości fizycznych dostaniemy LMT = (L MT ) a (LT ) b L c = L a + b + c M a T a b (4) Z tego co powiedziano wyżej wynika, że jednakowe muszą być wykładniki przy symbolach długości, masy i czasu po obu stronach równania (4). Porównanie wykładników prowadzi do układu trzech równań liniowych

= a+ b+ c = a = a b a= b= c= Widać, że siła Stokesa jest liniowo związana z prędkością, promieniem kuli i lepkością ośrodka: F s = C ηvr = 6πηvr (5) gdzie stała C wynosi 6π. V. Metoda pomiarów Pomiar współczynnika lepkości wykonuje się przez opuszczenie do badanej cieczy kulki, wykonanej z materiału o gęstości większej od gęstości cieczy i zmierzenie prędkości jej opadania. Na kulkę spadającą w ośrodku lepkim działają 3 siły: ) siła ciężkości kulki działająca w dół m g, ) siła parcia do góry V ρ g, 3) opór ośrodka, który według prawa Stokesa wynosi F s = 6π η v r. gdzie m oznacza masę kulki spadającej, V objętość kulki 3 4 π r 3, ρ gęstość cieczy, g przyspieszenie ziemskie, r promień kulki, v prędkość kulki poruszającej się ruchem jednostajnym, η współczynnik lepkości cieczy, zależny tylko od rodzaju cieczy i jej temperatury. F s = 6πηvr F w = ρgv P = mg Rys. Siły działające na ciało poruszające się w ośrodku lepkim. Po osiągnięciu przez kulkę odpowiednio dużej prędkości granicznej, siły te zrównoważą się i dalszy ruch kulki będzie ruchem jednostajnym. Wówczas F + F P 0 (6) s w = 6πηvr + Vρg mg = 0 6πηvr + 3 4 π r 3 ρg 3 4 π r 3 ρ k g = 0 6πηvr = 3 4 π r 3 g (ρ k ρ) (7) Podstawiając v = t h, gdzie h jest drogą przebytą ruchem jednostajnym w czasie t otrzymamy 3

η = r g(ρk ρ) t 9h Wzór ten stosuje się wówczas, gdy kulka spada w cieczy znajdującej się w naczyniu o tak dużych wymiarach, że można pominąć wpływ ścian na ruch kulki. W warunkach zaś laboratoryjnych, jeśli kulka spada w cylindrze o promieniu R, wprowadza się poprawkę na wpływ ścianek. Poprawka ta według wzoru Ladenburga wynosi v o = v (8) r + k (9) R gdzie v o oznacza prędkość spadającej kulki w naczyniu o nieskończonych rozmiarach, v prędkość mierzoną, r promień kulki, R promień cylindra, k stałą (k =,4). Po uwzględnieniu poprawki (9) otrzymujemy η = VI. Aparatura pomiarowa r g(ρk ρ) t 9h r +,4 R Wysoki cylinder o średnicy kilku centymetrów napełniony jest gliceryną. Na cylindrze znajdują się dwa znaczniki: górny A i dolny B (odległość AB = h), pomiędzy którymi mierzymy czas spadania kulek. Znacznik górny jest w dostatecznej odległości poniżej powierzchni cieczy, aby w chwili pomiarów kulka poruszała się ruchem jednostajnym. W środku cylindra znajduje się pojemnik z uchwytem do wyciągania kulek z gliceryny. (0) A h B Rys. Schemat aparatury pomiarowej 4

Pomiary. Wyznaczyć za pomocą suwmiarki średnicę wewnętrzną D cylindra i znaleźć jego promień R.. Wyznaczyć masę m 0-ciu jednakowych kulek. Obliczyć masę m jednej kulki. 3. Wyznaczyć średnicę d każdej z 0-ciu kulek za pomocą śruby mikrometrycznej. Obliczyć wartość średnią d oraz promień kulki r. 4. Obliczyć gęstość ρ k materiału, z którego wykonano kulki. 5. Zmierzyć odległość h od znacznika A do znacznika B za pomocą miarki milimetrowej. 6. Wyznaczyć sekundomierzem czas t przelotu odległości h dla każdej z 0-ciu kulek. Obliczyć wartość średnią t. 7. Wyznaczyć areometrem gęstość cieczy ρ. 8. Zmierzyć termometrem temperaturę gliceryny. 9. Obliczyć współczynnik lepkości cieczy η w danej temperaturze. 0. Przeprowadzić rachunek błędów.. Ocenić r = d/, m = m /0, h, ρ, t, R = D/, w oparciu o znajomość dokładności użytych przyrządów. Wykorzystując procedurę obliczania niepewności maksymalnej obliczyć niepewność ρ k m 3 r ρ k = ± ρ k + m r. Obliczyć niepewność maksymalną η t l r,4 η = ± η + + + t l r +,4r/R r R, 4 R +, 4+ r / R R ρk ρ + + ρ ρ ρ ρ k k 5