Какой показатель качества проверяют ударом свободно падающего стального шарика кратко

Обновлено: 06.07.2024

Методом падающего шарика определяют вязкость сильно пигментированных и вязких материалов.

Для этого испытуемый материал помещают в стеклянный цилиндр диаметром 20 мм и высотой 350 мм. Стальной шарик диаметром 7,938 мм и весом 2,033 г свободно опускают по оси цилиндра через столб жидкости высотой 250 мм. Чтобы момент прохода шариком столба жидкости сделать более заметным, иногда на дно цилиндра помещают прозрачную, не смешивающуюся с испытуемым материалом жидкость, например глицерин.

Торзионные вискозиметры, основанные на методах измерения сопротивления жидкости вращению помещенного в нее цилиндра или диска (вискозиметры Штормера, Волоровича и др.), используют значительно реже. По сравнению с ранее рассмотренными вискозиметрами они отличаются более сложным устройством, так как должны содержать хорошо протарированный механизм привода.

Прост и удобен метод определения вязкости по скорости поднятия в жидкости пузырька воздуха. Испытуемую жидкость наливают в специальную пробирку. Пробирку закрывают пробкой так, чтобы между пробкой и жидкостью оставался слой воздуха и выдерживают в термостате при заданной температуре, затем переворачивают и замечают время поднятия пузырька, которое и служит мерой вязкости. Это время можно сравнивать с временем поднятия пузырьков в пробирках, наполненных жидкостями, вязкость которых известна.

Метод пригоден для измерения вязкости жидкостей (рис. 17).

Рис. 17. Схемы шарикового (а) и плоскостного (б) вискозиметров:

а) R – радиус цилиндра; r – радиус шарика; Н – высота падения шарика со скоростью V; Нд – расстояние от нижней метки до дна цилиндра;

б) Vотн – относительная скорость смещения плоскостей; F – приложенная сила; h – зазор

Вязкость жидкости (плотность которой r0) определяют по установившейся скорости V падения шарика радиусом r из материала плотностью r. При падении шарика по оси цилиндра в соответствии с формулой Стокса - Ладенбурга имеем

h = h¢[1 + 2,104(r/R) + 2,09(r/R)2 - 0,95(r/R)5]К-1,

где h¢ = (2/9)(r - r0)gR2/V; K = 1 + 3,3R/H.

Это уравнение справедливо при r/R £ 0,32.

Максимальная скорость падения шарика должна удовлетворять требованию

где Re – критерий Рейнольдса.

Вместо оценки времени падения тарированного шарика на определенном пути можно вычислять время подъема пузырька газа через жидкость.

Задачи:1) определить коэффициент внутреннего трения жидкости

2) исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения от

температуры, построить график этой зависимости;

Приборы и принадлежности:

сосуды с жидкостью (глицерин, масло), секундомер, микроскоп или микрометр, масштабная линейка, шарики, электронагреватель для подогрева жидкости, приборы питания электронагревателя, термометр.

Краткая теория

Явление внутреннего трения в жидкости состоит в возникновении сил внутреннего трения между слоями жидкости, движущимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями.

Природа этих сил заключается в том, что слои, движущиеся с разными скоростями, обменивается молекулами.

Молекулы из более быстрого слоя, переходя в слой более медленный, переносят импульс, вследствие чего последний начинает двигаться быстрее. Молекулы из более медленного слоя, перескакивая в более быстрый слой, получают в быстром слое импульс, что приводит к его торможению.

Сила внутреннего трения, возникающая между слоями, выражается законом Ньютона:

, (1)

где коэффициент внутреннего трения жидкости (коэффициент динамической вязкости );

градиент скорости течения жидкости, характеризующий изменение скорости на единицу длины в направлении, перпендикулярном скорости ;

площадь соприкосновения движущихся слоев.

Коэффициент внутреннего трения есть физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, возникающей на единице площади соприкосновения слоев, движущихся с градиентом скорости, равным единице.

В данной работе рассматривается один из методов определения коэффициента внутреннего трения - метод Стокса (метод падающего шарика). Рассмотрим свободное падение тела (свинцового шарика) в вязкой покоящейся жидкости. При соприкосновении шарика с жидкостью к нему прилипает мономолекулярный слой жидкости и движется со скоростью шарика.

Этот слой увлекает в своем движении соседнии слои жидкости, которые приходят в плавное безвихревое движение (если малые шарики и малые скорости). Скорости движения слоев уменьшаются по мере удаления от шарика, между слоями возникает сила внутреннего трения (формула 1).

На падающий в жидкости шарик действуют три силы:

Сила тяжести (2)

Выталкивающая сила (3)

Сила сопротивления (сила Стокса)

(4)

Вначале скорость движения шарика будет возрастать, но так как по мере увеличения скорости шарика сила сопротивления будет также возрастать, то наступит такой момент, когда сила тяжести будет уравновешена суммой сил сопротивления и выталкивающей :

(5)

С этого момента движение шарика становится равномерным.

Подставив формулы (2), (3), (4) в уравнение (5), получим выражение для расчета коэффициента внутреннего трения жидкости.

Масса шарика

Отсюда , (6)

Скорость равномерного движения шарика найдем по формуле , измерив время прохождения шариком пути между метками на сосуде.

Тогда формула (6) примет окончательный вид:

, (7)

где , плотности шарика и жидкости соответственно;

радиус шарика;

ускорение свободного падения;

путь, пройденный шариком;

время падения шарика.

Коэффициент внутреннего трения зависит от температуры . С ростом температуры жидкости коэффициент внутреннего трения уменьшается.

Описание лабораторной установки.

Порядок выполнения работы

1. Измерить при помощи масштабной линейки расстояние между двумя метками, нанесенными на стенку сосуда с жидкостью.

2. Измерить с помощью микрометра диаметр шарика.

3. Опустить шарик в сосуд с исследуемой жидкостью и измерить секундомером время падения его между двумя метками.

4. Занести в таблицу значения всех величин (измеренных в опыте и табличных), необходимых для расчета коэффициента внутреннего трения.

5. По формуле (7) рассчитать коэффициент внутреннего трения жидкости.

6. Опыты повторить с 5 шариками.

7. С разрешения преподавателя включить цепь электронагревателя. Подогрев жидкость, повторить измерения, указанные в пунктах 2 и 3, и рассчитать коэффициент внутреннего трения при температурах ( , ), выше комнатной.

8. Построить график зависимости .

Таблица

№ опыта
Сред. знач.

Контрольные вопросы

1. Какие явления относятся к явлениям переноса, и почему они так называются?

2. В чем состоит сущность явления внутреннего трения? Механизм возникновения внутреннего трения.

3. Как записывается уравнение переноса для внутреннего трения (уравнение Ньютона)?

4. Дайте определение коэффициента внутреннего трения, от чего он зависит? В каких единицах измеряется?

Метод основан на измерении скорости падения маленьких шариков в исследуемой жидкости.

На падающий шарик радиусом r из вещества с плотностью  в вязкой жидкости с плотностью ₀ и вязкостью  действуют силы:

сила тяжести ,

выталкивающая сила ,

сила сопротивления жидкости, которая, согласно закону Стокса, равна F_B=6 rV, где V- скорость шарика.

Рис. 9. Схема для объяснения принципа метода Стокса.

При равномерном движении шарика F_тяж = F_A + F_B , откуда

  gr 2 (ρ - ρ₀)/V

Метод применяется при изучении оседания взвешенных частиц (крахмальных зерен, порошка какао и т. п.).

3. Ротационные методы. Измерение вязкости ротационным вискозиметром основано на определении скорости вращения цилиндра в вязкой жидкости.

62. Устройство вискозиметра Оствальда. Определение с его помощью вязкости исследуемой жидкости.

Вискозиметр Оствальда. (состоит из измерительного резервуара, кольцевых меток, резервуара, капилляра, груши). С помощью вискозиметра Оствальда определяют вязкость исследуемой жидкости относительным методом. Измеряют время истечения определенного объема исследуемой и эталонной жидкостей t и t₀ соответственно. Объемы жидкостей, согласно формуле, равны:

Так как перепад давления жидкости обусловлен только гидростатической силой, то р=р₀=0. Выразим из формулы величину вязкости исследуемой жидкости:

В вискозиметр наливают исследуемый раствор заполняя расширение 7 и погружают его в сосуд 6 . Сосуд 6 выполняет роль термостата. Закрыв пальцем руки отверстие колена 2, грушей 1 медленно нагнетают измеряемую жидкость в правое колено через капилляр 8 в расширение, находящееся выше метки 10 . Отнимают палец и освобождают грушу, после чего исследуемая жидкость начинает медленно вытекать через расширение, так как она расположена выше чем жидкость в расширении 7 сообщающих сосудов. В момент прохождения мениска жидкости через метку 10 включают секундомер , останавливают его в момент прохождения мениска через метку 9.

Объем истекающей жидкости между метками 9 и 10 одинаков, из формулы Пуазейля, как для воды так и для исследуемой жидкости т.е.

где Δp , t, η – разность давления между метками 9 и 10, время истечения, вязкость исследуемого раствора, а Δp₀ , t₀, η₀- соответствующие величины для стандартной жидкости. При этом Δp и Δp₀ можно выразить через произведение g- ускорение свободного падения на плотность жидкости ρ ( ρ-исследуемой или ρ₀- стандартной), на среднюю высоту между метками 9 и 10 Δh_ср. Если нам известны значения плотности и вязкости стандартной жидкости для выбранной температуры опыта при использовании одного вискозиметра Оствальда или вискозиметров типа ВПЖ для определения времени истечения как стандартной так и исследуемой жидкости, вязкость можно найти по формуле

где k- постоянная прибора и определяется через параметры вискозиметра и не зависит от используемых жидкостей для измерения, равна

k-зависит от температуры и ускорения свободного падения и времени протекания жидкости между метками 9 и10. Искомая вязкость раствора будет равна

Читайте также: