Доклад на тему вязкое трение

Обновлено: 04.07.2024

В данной работе используется метод Стокса, для определения коэффициента трения для различных жидкостей.

Вложение	Размер
trenie_v_zhidkostyah_.doc	116.5 КБ

Предварительный просмотр:

НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

Трение в жидкостях.

Автор: Цыкин Анатолий

учащийся 9 б класса

ГБОУ СОШ №1 пгт.Суходол

муниципального района Сергиевский

Научный руководитель: Шамова Татьяна Николаевна

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

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

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

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.

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 V 1. Соседние слои жидкости движутся c меньшими скоростями V 2 ,V З 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

1)Направленная вниз сила тяжести:

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

2)Направленная вверх выталкивающая сила (по закону Архимеда)

где d – диаметр шарика, а ρ ж – 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 :

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

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.

Отличие вязкого трения от сухого заключается в том, что оно способно обращаться в ноль одновременно со скоростью. Даже при малой внешней силе может быть сообщена относительная скорость слоям вязкой среды.

Сила сопротивления при движении в вязкой среде

Кроме сил трения при движении в жидких и газообразных средах возникают силы сопротивления среды, которые проявляются намного значительней, чем силы трения.

Поведение жидкости и газа по отношению к проявлениям сил трения не отличаются. Поэтому, приведенные ниже характеристики, относят к обоим состояниям.

Действие силы сопротивления, возникающей при движении тела в вязкой среде, обусловлено ее свойствами:

отсутствие трения покоя, то есть передвижение плавающего многотонного корабля при помощи каната;
зависимость силы сопротивления от формы движущегося тела, иначе говоря, от ее обтекаемости для уменьшения сил сопротивления;
зависимость абсолютной величины силы сопротивления от скорости.

Сила вязкого трения

Существуют определенные закономерности, которым подчинены и силы трения и сопротивления среды с условным обозначением суммарной силы силой трения. Ее величина находится в зависимости от:

формы и размеров тела;
состояния его поверхности;
скорости относительно среды и ее свойства, называемого вязкостью.

Для изображения зависимости силы трения от скорости тела по отношению к среде используют график рисунка 1 .

Рисунок 1 . График зависимости силы трения от скорости по отношению к среде

Если значение скорости мало, то сила сопротивления прямо пропорциональна относительно υ , а сила трения линейно увеличивается со скоростью:

F т р = - k 1 υ ( 1 ) .

Наличие минуса означает направление силы трения в противоположную сторону относительно направления скорости.

При большом значении скорости происходит переход линейного закона в квадратичный, то есть рост силы трения пропорционально квадрату скорости:

F т р = - k 2 υ 2 ( 2 ) .

Если в воздухе уменьшается зависимость силы сопротивления от квадрата скорости, говорят о скоростях со значениями нескольких метров в секунду.

Величина коэффициентов трения k 1 и k 2 находится в зависимости от формы, размера и состояния поверхности тела и вязких свойств среды.

Если рассматривать затяжной прыжок парашютиста, то его скорость не может постоянно увеличиваться, в определенный момент начнется ее спад, при котором сила сопротивления приравняется к силе тяжести.

Значение скорости, при котором закон ( 1 ) производит переход в ( 2 ) , зависит от тех же причин.

Происходит падение двух различных по массе металлических шариков с одной и той же высоты с отсутствующей начальной скоростью. Какой из шаров упадет быстрее?

Дано: m 1 , m 2 , m 1 > m 2

Решение

Во время падения оба тела набирают скорость. В определенный момент движение вниз производится с установившейся скоростью, при которой значение силы сопротивления ( 2 ) приравнивается силе тяжести:

F т р = k 2 υ 2 = m g .

Получаем установившуюся скорость по формуле:

Следовательно, тяжелый шарик обладает большей установившейся скоростью падения, чем легкий. Поэтому достижение земной поверхности произойдет быстрее.

Ответ: тяжелый шарик быстрее достигнет земли.

Парашютист летит со скоростью 35 м / с до раскрытия парашюта, а после – со скоростью 8 м / с . Определить силу натяжения строп при раскрытии парашюта. Масса парашютиста 65 к г , ускорение свободного падения 10 м / с 2 . Обозначить пропорциональность F т р относительно υ .

Дано: m 1 = 65 к г , υ 1 = 35 м / с , υ 2 = 8 м / с .

Найти: T - ?

Решение

Перед раскрытием парашютист обладал скоростью υ 1 = 35 м / с , то есть его ускорение было равным нулю.

По второму закону Ньютона получаем:

После того, как парашют раскрылся, его υ меняется и становится равной υ 2 = 8 м / с . Отсюда второй закон Ньютона примет вид:

0 - m g - k υ 2 - T .

Для нахождения силы натяжения строп необходимо преобразовать формулу и подставить значения:

ГОСТ

Сила сопротивления при движении в вязкой среде

В отличие от сухого вязкое трение характерно тем, что сила вязкого трения обращается в нуль одновременно со скоростью. Поэтому, как бы ни была мала внешняя сила, она может сообщить относительную скорость слоям вязкой среды.

Следует иметь в виду, что, помимо собственно сил трения, при движении тел в жидкой или газообразной среде возникают так называемые силы сопротивления среды, которые могут быть гораздо значительнее, чем силы трения.

Правила поведения жидкости и газа в отношении трения не различаются. Поэтому все сказанное ниже относится в равной степени и к жидкостям, и к газам.

Сила сопротивления, возникающая при движении тела в вязкой среде обладает определенными свойствами:

отсутствует сила трения покоя - например, человек может сдвинуть с места плавающий многотонный корабль, просто потянув за канат;
сила сопротивления зависит от формы движущегося тела - корпус подводной лодки, самолёта или ракеты имеет обтекаемую сигарообразную форму --- для уменьшения силы сопротивления, наоборот, при движении полусферического тела вогнутой стороной вперёд сила сопротивления очень велика (пример --- парашют);
абсолютная величина силы сопротивления существенно зависит от скорости.

Сила вязкого трения

Изложим закономерности, которым подчиняются силы трения и сопротивления среды совместно, причём условно будем называть суммарную силу силой трения. Вкратце эти закономерности сводятся к следующему - величина силы трения зависит:

от формы и размеров тела;
состояния его поверхности;
скорости по отношению к среде и от свойства среды, называемого вязкостью.

Типичная зависимость силы трения от скорости тела по отношению к среде показана графически на рис. 1.~

Рисунок 1. График зависимости силы трения от скорости по отношению к среде

Готовые работы на аналогичную тему

При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости и сила трения растет линейно со скоростью:

При больших скоростях линейный закон переходит в квадратичный т.е. сила трения начинает расти пропорционально квадрату скорости:

Например, при падении в воздухе зависимость силы сопротивления от квадрата скорости имеет место уже при скоростях около нескольких метров в секунду.

Величина коэффициентов $k_ $ и $k_$ (их можно назвать коэффициентами трения) в сильной степени зависит от формы, и размеров тела, состояния его поверхности и от вязких свойств среды. Например, для глицерина они оказываются гораздо большими, чем для воды. Так, парашютист при затяжном прыжке не набирает скорость безгранично, а с определённого момента начинает падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления становится равна силе тяжести.

Значение скорости, при которой закон (1) переходит в (2), оказывается зависящим от тех же причин.

Два металлических шарика, одинаковых по размеру и различных по массе, падают без начальной скорости с одной и той же большой высоты. Какой из шариков быстрее упадёт на землю --- лёгкий или тяжёлый?

Шарики при падении не набирают скорость безгранично, а с определённого момента начинают падать с установившейся скоростью, при которой сила сопротивления (2) становится равна силе тяжести:

Отсюда установившаяся скорость:

Из полученной формулы следует, что у тяжёлого шарика установившаяся скорость падения больше. Значит, он дольше будет набирать скорость и потому быстрее достигнет земли.

Ответ: Тяжелый шарик быстрее достигнет земли.

Парашютист, летящий до раскрытия парашюта со скоростью $35$ м/с, раскрывает парашют, и его скорость становится равной $8$ м/с. Определите, какой примерно была сила натяжения строп при раскрытии парашюта. Масса парашютиста $65$ кг, ускорение свободного падения $10 \ м/с^2.$ Принять, что $F_$ пропорциональна $v$.

Дано: $m_ =65$кг, $v_ =35$м/с, $v_ =8$м/с.

До раскрытия парашюта парашютист имел

постоянную скорость $v_ =35$м/с, значит ускорения парашютиста было равно нулю.

Сопротивление, которое испытывает движущееся в воде или воздухе тело, подчиняется иным закономерностям, существенно отличным от законов сухого трения, о которых мы говорили выше.

При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости движения и размеру тела:

Как надо понимать пропорциональность размеру, если не сказано, о какой форме тела идет речь? Это значит, что для двух тел, вполне подобных по форме (т.е. таких, все размеры которых находятся в одинаковом отношении), силы сопротивления относятся так же, как линейные размеры тел.

О степени вязкости жидкости можно судить либо по быстроте падения в ней твердых тел, либо по быстроте выливания жидкости из отверстий.

Из этого примера ясно, что не следует ставить на одну доску настоящие твердые тела и аморфные тела, которые, как мы знаем, много более похожи на жидкость, чем на кристаллы. Лава как раз такое аморфное тело. Оно кажется твердым, но на самом деле это очень вязкая жидкость.

Как вы думаете, сургуч – твердое тело? Возьмите две пробки, положите их на дно двух чашек. В одну налейте какую-нибудь расплавленную соль (например, селитру – ее легко достать), а в другую чашку с пробкой налейте сургуч. Обе жидкости застынут и погребут пробки. Поставьте эти чашки в шкаф и надолго забудьте о них. Через несколько месяцев вы увидите разницу между сургучом и солью. Пробка, залитая солью, по-прежнему будет покоиться на дне сосуда. А пробка, залитая сургучом, окажется наверху. Как же это произошло? Очень просто: пробка всплыла совсем так, как она всплывает в воде. Разница лишь во времени: когда силы вязкого трения малы, пробка всплывает вверх мгновенно, а в очень вязких жидкостях всплывание продолжается месяцами.

3. Растворимость газов в жидкостях

3. Растворимость газов в жидкостях Она зависит от давления и температуры. Растворимость газов неодинакова из-за различной химической природы.Пример:N2, H2 – мало растворимы в воде, растворимость NH3, HCl очень велика, в одном объеме H2O растворяется 700 объемов аммиака NH3.Газ + H2O ?

36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах

36. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе. Электрический разряд в газах Биологические ткани и органы являются довольно разнородными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии

XIV. Трение

XIV. Трение Силы трения Мы не в первый раз говорим о трении. И правда, как можно было, рассказывая о движении, обойтись без упоминания о трении? Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Останавливается автомобиль, у которого водитель выключил мотор,

Читайте также: