Описание установки и методика измерения

Приборы, служащие для измерения вязкости, назы­ваются вискозиметрами. В данной работе применяется вис­козиметр, основанный на использовании метода Стокса, в основе которого лежат процессы, определяющие характер свободного движения твёрдого шарика, опущенного в жид­кость. В этом случае на шарик действуют три силы (рис. 2).

 

 

Рис. 2

 

1) сила тяжести Р, направленная вертикально вниз и равная

(1)

(где r – радиус шарика, - плотность материала шарика при данной температуре; g – ускорение свободного падения).

2) сила Архимеда F_A, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости, вытесненной шариком,

(2)

 

(где - плотность жидкости при данной температуре).

3) сила внутреннего трения F_тр направлена в сторону, обратную скорости движения (в нашем случае вертикально вверх); ее можно рассчитать по формуле Стокса:

 

(3)

(где V – скорость равномерного движения шарика; - коэффициент внутреннего трения).

 

Силы P и F_A постоянны, а F_тр растет с увеличением скорости шарика. Это происходит до тех пор, пока равнодействующая всех сил не станет равной нулю:

 

. (4)

 

Начиная с этого момента шарик движется равномерно.

Подставляя (1), (2) и (3) в уравнение (4), получим условие равномерного движения шарика в виде:

 

Заменив в полученном соотношении радиус шарика на его диаметр , а скорость установившегося движения шарика по отношению пройденного пути l к затраченному на его прохождение времени , получаем окончательное выражение для расчета коэффициента вязкости жидкости:

 

(5)

Уравнение (5) справедливо для случая, когда шарик падает в безграничной среде. Если шарик движется вдоль оси трубки, то необходимо учитывать влияние стенок трубки. Это влияние обусловлено тем, что молекулы слоя жидкости, прилегающие к внутренним стенкам трубки, «прилипают» к ней и не перемещаются.

 

Вискозиметр, используемый в данной работе (рис.3), представляет собою стеклянный цилиндрический сосуд, закрепленный в держателе и расположенный строго вертикально. Нижний конец сосуда запаян, а на верхнем имеется воронка с отверстием строго по осевой линии цилиндра, предназначенная для зарядки вискозиметра исследуемой жидкостью и для придания направления движения твердых шариков, опускаемых в жидкость. На цилиндре имеются две метки (А и Б), способные перемещаться вдоль него. Внутренний диаметр вискозиметра значительно превосходит диаметр маленьких твердых шариков, поэтому влиянием вискозиметра на их движение можно пренебречь.

Наблюдая за характером равномерного движения шарика в жидкости и используя соотношение (5), можно определить коэффициент внутреннего трения жидкости.