Исследовательская работа "Трение в жидкостях".

  НАУЧНАЯ     КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

СЕКЦИЯ «Физика»

 Трение в  жидкостях.

Автор: Цыкин Анатолий

учащийся 9 б класса

ГБОУ СОШ №1 пгт.Суходол

муниципального района Сергиевский

 Самарской области                                                                                                

                                Научный руководитель: Шамова Татьяна Николаевна

Учитель физики

                                                  Суходол 2015

                                                                        Оглавление

Введение…………………………………………………………………………….3

Основная часть

1.Вязкость жидкости……………………………………………………………....4

2.Физическое обоснование эксперимента, вывод формулы……………….…...6

3.Описание экспериментальной установки……………………………….……..9

4.Проводимые исследования…………………………………………………….10

Заключение………………………………………………………………………..11

Список используемой литературы……………………………………………...12

Введение.

При движении твердого тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления среды. Эта сила направлена против скорости тела относительно среды и тормозит движение. Главная особенность силы сопротивления состоит в том, что она проявляется только при наличии относительного движения тела и окружающей среды. Сила трения покоя в жидкостях и газах полностью отсутствует.

Актуальность проведения данного исследования продиктовано тем, что любое тело, попадая в жидкость или газ испытывает силу трения со стороны жидкости, от чего она зависит,  мы и попытаемся показать в своей работе.

Целью нашей работы является: Изучить вязкость жидкости, используя метод Стокса, основанный на измерении скорости падения шарика малых размеров и  установить зависимость вязкости воды от температуры и вводимых добавок.

Глава 1. 

При движении жидкости между ее слоями возникают силы внутреннего трения, действующие таким образом, чтобы уровнять скорости всех слоев. Природа этих сил заключается в том, что слои, движущиеся с разными скоростями, обмениваются молекулами. Молекулы из быстрого слоя передают более медленному некоторое количество движения, вследствие чего, последний начинает движение с большой скоростью. Реальная жидкость обладает вязкостью, т.е. свойством оказывать сопротивление при перемещении одной жидкости относительно другой.

При погружении шарика в вязкую покоящуюся жидкость в ней возникает движение слоев жидкости относительно друг друга c разными скоростями. Слой жидкости, прилегающей к шарику, прилипает к его поверхности и движется вместе c ним co скоростью V1. Соседние слои жидкости движутся c меньшими скоростями V2,VЗ и т.д.(pиc. 1).

          Рис.1 Движение слоев жидкости с разными скоростями

Слои жидкости как бы скользят относительно друг друга. Такое течение жидкости называется ламинарным (в пepeвoдe c латинского - слоистый).

При перемещении одних слоев жидкости относительно других c разными скоростями возникает сила внутреннего трения между слоями. Так на слой, движущейся быcтpee, co стороны бoлee медленного слоя действует сила, направленная по касательной к нему и замедляющая его движение.

Вязкостью или  внутренним трением  называется явление возникновения сил трения между слоями газа или жидкости, движущимися относительно друг друга параллельно и c разными по величине скоростями. (2)

Вязкость жидкости – это свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению её частиц и характеризующее степень её текучести и подвижности.

      Причиной возникновения внутреннего трения является наложение упорядоченного движения слоев жидкости и теплового хаотического движения молекул, скорость которых зависит от температуры. При этом из слоя в слой молекулами переносится импульс mυ, где m – масса молекул, υ – скорость упорядоченного движения молекул.

Вязкость относится к явлениям переноса, которые объединяют группу процессов, связанных с неоднородностью плотности, температуры или скорости упорядоченного движения отдельных слоев вещества.

Явление переноса в газах и жидкостях состоит в том, что в этих веществах возникает направленный перенос импульса (внутреннее трение), перенос массы (диффузия), перенос внутренней энергии (теплопроводность).

2. Физическое обоснование эксперимента. Вывод расчетной формулы.

В настоящей работе используется метод Стокса, основанный на измерении скорости падения в жидкости твердого шарика малых размеров. При падении шарика в вязкой жидкости он приобретает постоянную скорость, т.е. движется без ускорения. Следовательно, равнодействующая  всех сил, действующих на шарик должна быть равна нулю.

При движении шарика в вязкой жидкости возникает сила трения, величина которой зависит от коэффициента внутреннего трения жидкости. Формула для вычисления этой силы была выведена Стоксом.

На шарик, падающий в жидкости, действуют три силы

Рис.

1)Направленная вниз сила тяжести:

где d – диаметр шарика, а ρш – плотность вещества из которого сделан шарик

2)Направленная  вверх выталкивающая сила (по закону Архимеда)

где d – диаметр  шарика, а ρж – плотность жидкости

3) Сила Стокса (сила вязкого трения) Эта сила также направлена вверх, для  шарика в безграничной жидкости равна:

где d – диаметр шарика, η – коэффициент внутреннего трения, υ – скорость движения шарика. Формула Стокса справедлива только для маленьких шариков, движущихся с небольшой скоростью.

При движении шарика выталкивающая сила и сила тяжести все время остаются постоянными, а сила трения возрастает по мере увеличения скорости. С увеличением скорости увеличивается сила трения, и наступает такой момент, что направленные вверх сила трения и выталкивающая сила уравновесят направленную вниз силу тяжести. Тогда :

или

Находим, что:   

После этого движение шарика станет равномерным, и скорость υ можно найти, разделив путь l, пройденный шариком, на время t его равномерного движения: 

Расчетная формула:

Отметим, что данная формула не учитывает  размеры сосуда, в котором происходит падение твердого тела.

В реальности, практически невозможно осуществить падение шарика в безграничной среде, т.к. жидкость находится в каком – то сосуде, имеющем стенки. Если шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда с  R,то учет наличия стенок приводит к следующему выражению коэффициента вязкости:

В системе СГС коэффициент динамической вязкости измеряется в пуазах:

В международной  системе СИ коэффициент вязкости измеряется в Па·с

 Описание экспериментальной установки

Прибор для определения коэффициента вязкости представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, наполненный исследуемой жидкостью. На цилиндр наносятся две метки. Верхняя метка означает начало равномерного движения шарика. Нижняя – конец равномерного движения.

Оборудование: Мензурка с жидкостью R= 0,025 м, микрометр, ареометр, весы, датчик расстояния,  пластмассовый  шарик  d=2,5 см, секундомер, линейка.

Проводимые исследования:

Опыт №1

Исследование  зависимости коэффициента вязкости воды от температуры:

Видим, что с ростом температуры, коэффициент динамической вязкости уменьшается.

Опыт №2

Исследование зависимости коэффициента вязкости от массового содержания соли: V=500 мл, t=16°С

Видим, что коэффициент динамической вязкости  увеличивается от массового содержания соли в единице объема.

Заключение.

Таким образом, мы исследовали вязкость жидкостей методом Стокса  и пришли к следующим выводам.

•  Проверили опытным путем зависимость  коэффициента вязкости  от температуры.
• Установили зависимость вязкости жидкости от массового содержания соли.

Данные исследования помогают понять и объяснить многие явления связанные с движением в  жидкостях.

Список используемой литературы:

    1.Физика.10 класс: учеб.для общеобразоват.учреждений: базовый и               профил.уровни Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.А.Парфентьевой – 18-е изд.-М.:Просвещение,2009.

2 Ильин В.И./Механика Ньютона – основа единой физики – М.: Т – Око, 1992

3.Орлов В.А., Никифоров Г.Г/Физика: Школьный курс – М.: АСТ – ПРЕСС, 2000. – 668с.