Как измерить вязкость

Вязкость можно определить как меру сопротивления жидкости течению, которое называют также внутренним трением жидкости. Возьмем, к примеру, воду и мед. Вода течет относительно легко, в то время как мед намного менее текуч. Поскольку мед менее подвержен течению, он обладает большей вязкостью, чем вода. Существует множество способов измерить вязкость, и в наиболее простом испольуется падение шарика в прозрачной емкости с жидкостью, вязкость которой нужно определить.

Часть 1

Часть 1 из 2:

Что такое вязкость

Загрузить PDF

Вязкость определяет сопротивление жидкости течению.^{[1]XИсточник информации} Жидкости с высокой вязкостью, например мед, текут очень медленно. В то же время жидкости с низкой вязкостью, такие как вода, перетекают быстро. Вязкость измеряется в паскалях на секунду (Па·с).^{[2]XИсточник информации}
В описанном ниже эксперименте для определения вязкости измеряется скорость прохождения шарика через жидкость. Формула для определения вязкости записывается как [2(p_ш-p_ж)ga²]/9v, где p_ш — плотность шарика, p_ж — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, a — радиус шарика, v — скорость шарика.^{[3]XИсточник информации}
Плотность предмета определяется как масса на единицу объема и обозначается буквой p. В нашей формуле необходимо определить плотность шарика p_ш и плотность жидкости p_ж, через которую он проходит. Чтобы определить радиус шарика a, можно измерить длину его окружности и поделить ее на 2π. Вызванное силой тяжестью ускорение свободного падения g является константой, которая зависит от планеты. Для Земли ускорение свободного падения составляет 9,8 м/с².^{[4]XИсточник информации} Скорость шарика v, которая измеряется в ходе эксперимента, представляет собой пройденное расстояние в метрах, поделенное на количество секунд (м/с).
Реклама

Часть 2

Часть 2 из 2:

Измерение вязкости

Загрузить PDF

1
Подготовьте все, что вам понадобится для проведения эксперимента. Чтобы определить вязкость жидкости, вам потребуются шарик, градуированная мензурка, линейка, секундомер, исследуемая жидкость, весы и калькулятор.^{[5]XИсточник информации} Данный эксперимент состоит из нескольких шагов, и если выполнить все правильно, то можно определить вязкость жидкости.
- Для эксперимента подойдет небольшой мраморный или стальной шарик. Его диаметр не должен превышать диаметра мензурки, чтобы он мог свободно падать в ней.
- Можно взять достаточно большую пластиковую мензурку с делениями на боковой поверхности, которые позволяют определить объем.
- Вместо секундомера можно использовать обычные часы, однако в этом случае вы получите менее точные результаты.
- Жидкость должна быть достаточно прозрачной, чтобы вы видели, как в ней опускается шарик. Попробуйте использовать различные жидкости с разной скоростью течения, чтобы посмотреть, как различается их вязкость. Например, можно взять воду, мед, сироп, растительное масло и молоко.
2
Рассчитайте плотность шарика. Чтобы определить вязкость, необходимо знать плотность как материала шарика, так и жидкости. Плотность d вычисляется по формуле $d=m/V$ $How.com.vn Русский: d=m/V$ , где m — масса предмета, а V — его объем.
- Положите шарик на весы и измерьте его массу. Запишите полученную величину в граммах (g).
- Найдите объем шара V с помощью формулы V= (4/3) x π x r³, где π — константа, равная 3,14, а r — радиус шара. Радиус шара можно найти следующим образом: измерьте длину его окружности, а затем поделите ее на 2π.
- Можно также найти объем шара по количеству воды, которую он вытесняет из мензурки. Запишите первоначальную высоту уровня воды, затем опустите шарик в воду и отметьте новый уровень воды. Вычтите из нового первоначальный уровень. В результате вы получите объем шарика в миллилитрах (мл).
- Вычислите плотность по формуле $d=m/V$ . В результате у вас получится плотность в граммах на миллилитры (г/мл).
3
Определите плотность исследуемой жидкости. Сделайте это с помощью той же формулы.
- Сначала измерьте массу пустой мензурки. Затем налейте в мензурку жидкость и взвесьте ее еще раз. Вычтите из массы мензурки с жидкостью массу пустой мензурки — в результате у вас получится масса жидкости в граммах (г).
- Чтобы найти объем жидкости, просто определите высоту ее уровня в мензурке с помощью делений на ее боковой поверхности. Запишите полученный результат в миллилитрах (мл).
- Подставьте результаты в формулу $d=m/V$ , и у вас получится плотность жидкости в граммах на миллилитры (г/мл).
4
Залейте в мензурку жидкость и сделайте на ней метки. Заполните мензурку исследуемой жидкостью и поставьте на боковой поверхности метки. Медленно залейте в мензурку жидкость, так чтобы заполнить ее примерно на ½–¾.
- Нарисуйте метку в верхней части мензурки примерно на 2,5 сантиметра ниже уровня жидкости.
- Поставьте вторую метку примерно на 2,5 сантиметра выше дна мензурки.
- Измерьте расстояние между верхней и нижней меткой. Приложите к нижней метке начало линейки и измерьте расстояние до верхней метки.
5
Измерьте время, за которое шарик преодолевает расстояние между метками. Опустите шарик в жидкость и запустите секундомер, когда нижний край шарика сравняется с верхней меткой. Остановите секундомер, когда шарик достигнет нижней метки.
- Данные измерения сложнее проводить на жидкостях с низкой вязкостью, поскольку в них шарик падает быстрее и засечь точное время бывает непросто.
- Повторите данный шаг по меньшей мере три раза (чем больше измерений вы сделаете, тем точнее получится результат) и определите по трем величинам среднее значение. Чтобы найти среднее значение, сложите все полученные результаты и поделите их на число измерений.
- Для данного метода лучше всего использовать достаточно маленький шарик — в этом случае поток жидкости вокруг шарика будет действительно вязким и далеким от турбулентного. Кроме того, шарик должен быть достаточно мал по сравнению с мензуркой, чтобы во время падения расстояние между ним и ее стенками составляло хотя бы 10 радиусов шарика.
6
Вычислите скорость шарика. Скорость соответствует расстоянию, поделенному на время, затраченное для того, чтобы преодолеть это расстояние. Скорость v выражается формулой $v=d/t$ $How.com.vn Русский: v=d/t$ , где d — пройденное расстояние, t — затраченное время.
- Подставьте измеренные значения в формулу $v=d/t$ и определите скорость шарика.
7
Вычислите вязкость жидкости. Подставьте найденные величины в формулу вязкость = [2(p_ш-p_ж)ga²]/9v, где p_ш — плотность шарика, p_ж — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения (постоянная величина, равная 9,8 м/с²), a — радиус шарика, v — скорость шарика.^{[6]XИсточник информации}
- Предположим, плотность жидкости составляет 1,4 г/мл, плотность шарика равна 5 г/мл, его радиус равен 0,002 м, а скорость шарика составляет 0,05 м/с.
- Подставим эти значения в формулу и получим: вязкость = [2(5 – 1,4)(9,8)(0,002)^2]/(9 x 0,05) = 0,00062784 Па·с.
Реклама

Советы

Записывайте все значения в таблицу, чтобы не запутаться в результатах измерений.
Все измерения следует выполнять в метрической системе.
Не забудьте в конечном результате указать единицы измерения.

Предупреждения

Для данного метода плотность шарика должна превышать плотность жидкости.
Не наливайте в мензурку слишком много жидкости, чтобы ее верхний уровень не подходил слишком близко к краю мензурки. Если вы не оставите достаточно места, при опускании шарика в мензурку из нее может выплеснуться часть жидкости, что исказит результаты измерений.
Вылейте из мензурки предыдущую жидкость и полностью высушите ее, прежде чем проводить измерения на новой жидкости.
Перед началом экспериментов проверьте, чтобы в мензурке не было остатков воды или другой жидкости. Посторонняя жидкость отрицательно повлияет на точность полученных результатов.

Что вам понадобится

Небольшой твердый шарик или другой сферический предмет, который тонет в исследуемой жидкости
Исследуемая жидкость
Мерная мензурка с диаметром бо́льшим, чем у шарика
Калькулятор
Секундомер
Измерительная рулетка или линейка
Маркер
Весы