Pobierz modul younga fizyka............... i więcej Ćwiczenia w PDF z Fizyka techniczna tylko na Docsity!
Wydział WILGZ Imię i nazwisko
- Nicole Wójcik
- Weronika Kasprzak Rok II Grupa Zespół PRACOWNIA FIZYCZNA WFiIS AGH Temat: Współczynnik lepkości Nr ćwiczenia 13 Data wykonania 11.11. Data oddania 13.11. Zwrot do popr. Data oddania Data zaliczenia OCENA Cel ćwiczenia : wyznaczenie współczynnika lepkości gliceryny metodą Stokesa, zapoznanie się z własnościami cieczy lepkiej. Współczynnik lepkości to właściwość płynów charakteryzująca ich zdolność do oporu przemieszczaniu się jednych warstw płynu względem drugich. Jest to miara tarcia wewnętrznego płynu. Wzrost współczynnika lepkości oznacza zwiększenie oporu płynu na przepływ. Jednostką w układzie SI jest (Pas) lub Ns/m^2. Współczynnik lepkości można zdefiniować za pomocą prawa które mówi, że siła wymagana do utrzymania stałej prędkości warstw płynu o powierzchni równoległej do siebie jest proporcjonalna do gradientu prędkości i przekroju poprzecznego płynu. F= η* A * dv/dx Gdzie: F to siła wymagana do utrzymania płynu w ruchu η to współczynnik lepkości A to przekrój poprzeczny płynu dv/dx to gradient prędkości płynu τ= η*du/dy gdzie : τ to naprężenie ścinające η to współczynnik lepkości du/dy to gradient prędkości w kierunku prostopadłym do powierzchni płynu Przepływ laminarny (warstwowy) występuje wtedy, gdy strumień płynu można podzielić w myśli na układ równoległych do siebie warstewek przesuwających się po sobie i gdy ten układ nie ulega zaburzeniu mimo zmiany kierunku strumienia. Na fotografii pokazano przepływ laminarny w symetrycznym opływie profilu przez płaski strumień. Linie strumienia były uwidocznione za pomocą zabarwionej cieczy wprowadzanej od góry strumienia Po przekroczeniu pewnej prędkości granicznej ruch płynu przechodzi w przepływ turbulentny , w którym strumień płynu zostaje rozbity na szereg wirów. Każdy z takich wirów jest złożony z jeszcze
mniejszych wirów i ten podział może być prowadzony do obszarów zawirowań o coraz mniejszych rozmiarach. Ten skomplikowany ruch płynu nie ma wystarczająco ścisłego opisu teoretycznego. Na fotografii pokazano tworzenie się turbulentności przy przepływie przez siatkę. Nitki dymu demonstrują przechodzenie jednorodnego laminarnego strumienia przez otwory siatki. Pojawiające się niestabilności przesuwanych warstw prowadzą do rozwinięcia się turbulentności wzdłuż strumienia Liczba Reynoldsa – jedna z liczb podobieństwa stosowanych w mechanice płynów (hydrodynamice, aerodynamice i reologii). Liczba ta pozwala oszacować występujący podczasruchu płynu stosunek sił bezwładności do sił lepkości. Liczba Reynoldsa jest szczególną wielkościa odnoszącą się do ruchu ciał w płynach (cieczach, gazach) Jest ona określona wzorem: v – prędkość ciała względem płynu – jednostka w układzie SI – metr na sekundę m/s l – wymiary liniowe w kierunku prostopadłym do v – jednostka w układzie SI - metr m η – lepkość cieczy – jednostka w układzie SI – paskalosekunda Pa ∙s = kg/ms ρ – gęstość cieczy – jednostka w układzie SI kg/m3. Liczba Reynoldsa Re jest wielkością bezwymiarową. W eksperymencie wyznaczamy współczynnik lepkości gliceryny metodą Stokesa. Gdy ciecz porusza się ruchem laminarnym to pomiędzy poszczególnymi warstwami tej cieczy pojawia się siła oporu lepkiego. Jeżeli w takiej cieczy będzie się poruszało ciało, to siły oporu lepkiego będą również hamowały ruch ciała. W metodzie Stokesa stosujemy kulki o małej średnicy ze znanego materiału, które wrzucamy do pionowego cylindra z badaną cieczą. Kulka spada w cieczy i jednocześnie warstwa cieczy bezpośrednio przylegająca do kulki porusza się z prędkością równą prędkości kulki, pociągając za sobą następne warstwy cieczy. Mamy więc do czynienia z przesuwaniem się warstw cieczy względem siebie. Między warstwami cieczy działa siła oporu, działa ona także na poruszającą się kulkę. Związek między siłą oporu lepkiego a prędkością kulki, jej promieniem i właściwościami cieczy znalazł George Stokes i wyraził wzorem: 𝐹 = 6𝜋𝜂𝑟v gdzie: F – siła oporu lepkiego η – współczynnik lepkości dynamicznej cieczy r – promień kulki υ – prędkość kulki Prawo Archimedesa- Ciało w całości lub częściowo zanurzone w płynie jest wypierane ku górze siłą równą ciężarowi wypartego przez to ciało płynu.
Metody wyznaczania gęstości ciał stałych: Za pomocą wagi szalkowej z ławeczką Za pomocą wagi kuchennej ze statywem Geometryczna metoda wyznaczania gęstości za pomocą suwmiarki Metody pomiaru gęstości gazu: Użycie gęstościomierza Użycie manometru Metoda wagowa Metoda chromatografii gazowej Wyniki pomiarów Droga spadania kulki l = 800[mm] Średnica cylindra D = 390[mm] Temperatura 21 [oC] Nr pomiaru Średnica kulki d [mm] Masa kulki m [g] Czas spadku kulki t [s] Wsp. Lepkości η [Pas] 1 4,85 0,441 4,96 0, 2 4,05 0,269 6,53 0, 3 2,65 0,115 11,04 0, 4 2,05 0,032 23,22 0, 5 2,10 0,035 23,07 0, 6 4,90 0,444 5,06 0, 7 3,05 0,111 10,61 0, 8 4,03 0,257 6,42 0, 9 3,04 0,110 10,55 0, 10 4,04 0,267 6,36 0, Wartość średnia współczynnika lepkości η=0,443 [Pas] Niepewność u(η)= 0,01639 [Pa*s] Opracowanie wyników pomiaru Obliczenie współczynnika lepkości gliceryny do każdego przelotu kulki
Dla kulki 10: η 1 =0,47 [Pas] η 2 =0,46 [Pas] η 3 = 0,55[Pas] η 4 =0,38[Pas] η 5 =0,40[Pas] η 6 =0,48[Pas] η 7 =0,41[Pas] η 8 =0,43[Pas] η 9 =0,40[Pas] η 10 =0,45[Pas] Obliczenie wartości średniej współczynnika lepkości Obliczenie niepewności standardowej współczynnika lepkości = 0,01639 [Pas] Porównanie wyznaczonej wartości współczynnika lepkości z wartością tablicową i sprawdzenie, czy w granicach niepewności pomiarowej są sobie równe Wartość tablicowa współczynnika lepkości dla gliceryny w temp. 21oC i gęstości 1236 kg/m^3 η 0 = 0,2078 [Pas] Otrzymana wartość: η=0,443 [Pas] | η 0 - η|= 0,2352 [Pas] u(η)= 0,01639 [Pa*s] | η0- η|> u(η) W granicach niepewności pomiarowej wartość otrzymanego współczynnika lepkości jest większa niż wartość tablicowa. Obliczenie prędkości spadania oraz wartości liczby Reynoldsa dla jednej z kulek Dla kulki nr. 1 Wnioski: W wyniku przeprowadzonego eksperymentu udało się określić współczynnik lepkości oraz wartość liczby Reynoldsa dla gliceryny przy temperaturze 21°C. Wartość współczynnika lepkości, uzyskana w wyniku eksperymentu, nie pokrywa się z wartościami tabelarycznymi w granicach niepewności pomiarowej, znacznie odbiegając od danych referencyjnych. Możliwe przyczyny tej rozbieżności obejmują błędy podczas pomiaru kluczowych parametrów niezbędnych do obliczenia współczynnika lepkości, jak również potencjalne niedoskonałości w badanej cieczy związane z jej czystością i wiekiem.
