落球法測量液體粘滯系數


落球法測量液體粘滯系數

首先我們來了解一下原理

液體的粘滯性

在流動的液體中,各流體層的流速是不同的,這樣就導致在相互接觸的兩個流體層之間的接粗面上,形成一對阻礙兩流體層相對運動的等值而反向的摩擦力,流速慢的流體層給相鄰流速快的流體層一個使之減速的力,而該力的反作用力又給流速較慢的流體層一個使之加速的力,這對內摩擦力也被稱為粘滯力,流體所具有的這種性質也成為粘滯性

( 自我理解 ) 流體層中各層面的流體流速不一樣,從而導致流速慢的給流速快的減速,流速快的同時給流速慢的加速,從而產生一種力,這種力成為粘滯力,這種性質成為粘滯性


其次,了解一下粘滯系數

粘滯系數

液體的粘滯系數又稱為內摩擦系數或粘度。是描述 液體內摩擦力性質 的一個重要物理量。它表征液體 反抗形變 的能力,只有在液體內存在相對運動時才表現出來
( 必須存在內摩擦力,才能表現出來 )

特點:
  • 與液體的自身性質有關
  • 與液體的流速有關
  • 與液體的溫度有關

使用落球法測量液體粘滯系數,主要是利用小球在液體中下落的運動狀態來測定量粘滯系數 ( 除了落球法還有 1、泊肅葉法,2、轉筒法,3、阻尼法 等 )


落球法中,小球在液體中受到三個力,重力,浮力,粘滯力。在理想條件下( 理想條件指:小球在液體中速度很小,小球半徑很小,且液體可以視為在各個方向上都是無限延展的 )那么,由斯托克斯公式可以得到

        F = 3 * Π * η * v * d 
        其中 η 為粘滯系數,v 為速度,d 為半徑

如果小球下落時,液體各層間相對運動速度較小時,會呈現穩定的運動狀態,但如果各層間相對運動感速度較快,那么就會破壞這種層流,過渡到湍流,甚至漩渦,那么從奧西思-果爾斯公式可以反映出液體運動狀態對斯托克斯公式的影響

    F = 3 * Π * η * v0 * d * (1+3/16*Re-19/1080*Re^2+...)
    其中Re為雷諾數,表征液體運動狀態無關量的一個參數

    而 Re = v0 * d * ρ0 / η
    (ρ0為液體密度)

    - 而當Re < 0.1 時,液體運動狀態穩定,理想條件成立,因此可以使用理想條件的計算公式
    但如果 0.1< Re < 1 時應該考慮高次修正項
    η1 = η - 3/16 * v0 * d * ρ0

儀器選擇

  • 螺旋測微器
  • 變溫粘滯系數試驗儀
  • 開放式PID溫控試驗儀
  • 電子停表


借鑒《 大學物理實驗(第二版)》



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