Badan Federal untuk Pendidikan
Federasi Rusia
Lembaga pendidikan negara pelatihan kejuruan tinggi
Institut Pertambangan Negeri St. Petersburg dinamai menurut namanya. G.V. Plekhanov
(Universitas Teknik)
Laporan Lab No.21
Disiplin: Fisika
Subjek: Penentuan koefisien viskositas cairan
Dilakukan oleh seorang siswa gr. NG-04 ___ _____________ Gladkov P.D.
(tanda tangan) (nama lengkap)
Diperiksa oleh: asisten ____________ Chernobay V.I.
(posisi) (tanda tangan) (nama lengkap)
Saint Petersburg
Tujuan pekerjaan:
menentukan koefisien viskositas suatu zat cair dengan menggunakan metode Stokes.
Latar belakang teoritis singkat.
SAYA 
Fenomena gesekan dalam (viskositas) adalah munculnya gaya gesekan antar lapisan zat cair (atau gas) yang bergerak relatif satu sama lain secara paralel dan dengan kecepatan berbeda.
Ketika lapisan datar bergerak, gaya gesekan antar lapisan menurut hukum Newton adalah:
dimana adalah koefisien proporsionalitas, disebut koefisien viskositas atau viskositas dinamis; S- area kontak lapisan, 
- perbedaan kecepatan antara lapisan yang berdekatan, 
- jarak antara lapisan yang berdekatan.
Oleh karena itu secara numerik sama dengan gaya tangensial per satuan luas kontak lapisan, yang diperlukan untuk mempertahankan perbedaan kecepatan sama dengan satu antara dua lapisan materi paralel, yang jarak antara keduanya sama dengan satu. Satuan SI untuk viskositas adalah pascal sekon.
Biarkan sebuah bola bergerak dalam wadah berisi cairan, yang dimensinya jauh lebih kecil dari dimensi wadah tersebut. Ada tiga gaya yang bekerja pada bola: gravitasi R, diarahkan ke bawah; gaya gesek dalam dan gaya apung F masuk, diarahkan ke atas. Bola awalnya jatuh dengan kecepatan yang dipercepat, tetapi kemudian keseimbangan terjadi dengan sangat cepat, karena gaya gesekan juga meningkat dengan meningkatnya kecepatan. Stokes menunjukkan bahwa gaya pada kecepatan rendah sebanding dengan kecepatan bola v dan jari-jarinya R:
,
dimana adalah koefisien viskositas.
Diagram instalasi.
Rumus perhitungan dasar.
Di mana 
- koefisien viskositas, r - radius bola, 
- kecepatan bola;
Di mana R- gaya gravitasi yang bekerja pada bola F A - kekuatan Archimedes, F tr - gaya gesekan internal;
dimana M- kepadatan bahan bola; V – volume bola;
Di mana 
- kepadatan cairan;
Rumus untuk menghitung mean square error.
,
Di mana 
- nilai rata-rata koefisien viskositas, 
- nilai koefisien viskositas pada setiap percobaan individu, N-
sejumlah percobaan.
Tabel pengukuran dan perhitungan.
Tabel 1
|
|
||||||||||
|
pengukuran |
||||||||||
Kesalahan pengukuran langsung.
=0,1K; 
=5·10 -5 m; 
= 5·10 -5 m; 
= 5·10 -5 m; 
=0,01 detik.
Tujuan pekerjaan: pengenalan metode Stokes dan penentuan koefisien viskositas berbagai cairan.
Pengenalan teoritis
Dalam semua cairan dan gas nyata, ketika satu lapisan bergerak relatif terhadap lapisan lainnya, timbul gaya gesekan. Dari sisi lapisan yang bergerak lebih cepat, gaya percepatan bekerja pada lapisan yang bergerak lebih lambat. Sebaliknya, dari sisi lapisan yang bergerak lebih lambat, gaya pengereman bekerja pada lapisan yang bergerak lebih cepat. Kekuatan-kekuatan ini, disebut gaya gesek dalam, diarahkan secara tangensial ke permukaan lapisan.
Misalkan dua lapisan (Gbr. 15.1) yang luasnya, dipisahkan satu sama lain oleh jarak, masing-masing bergerak dengan kecepatan v 1 dan v 2, Δv=v 2 –v 1. Arah pengukuran jarak antar lapisan (sumbu z), tegak lurus terhadap vektor kecepatan lapisan. Besarnya
,
yang menunjukkan seberapa cepat perubahan kecepatan ketika berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya disebut gradien kecepatan. Besarnya gaya gesek dalam, yang bekerja antar lapisan, sebanding dengan luas kontak lapisan yang bergerak dan gradien kecepatan (hukum Newton):
dimana adalah koefisien viskositas ( viskositas dinamis). Tanda “–” menunjukkan bahwa arah gaya berlawanan dengan gradien kecepatan, yaitu lapisan cepat diperlambat dan lapisan lambat dipercepat.
Satuan SI untuk mengukur koefisien viskositas adalah viskositas dimana gradien kecepatan sebesar 1 m/s per 1 m menghasilkan gaya gesekan internal sebesar 1 N per 1 m 2 luas lapisan. Satuan ini disebut sekon pascal (Pa.s). Beberapa rumus (misalnya bilangan Reynolds, rumus Poiseuille) menyertakan rasio koefisien viskositas terhadap massa jenis cairan. ρ . Hubungan ini disebut koefisien viskositas kinematik :
Untuk zat cair yang alirannya mengikuti persamaan Newton (15.1), viskositas tidak bergantung pada gradien kecepatan. Cairan seperti ini disebut Newton. KE non-Newtonian(yaitu, yang tidak mematuhi persamaan (15.1)) termasuk cairan yang terdiri dari molekul kompleks dan besar, misalnya larutan polimer.
Viskositas suatu cairan sangat bergantung pada suhu: dengan perubahan suhu, yang relatif mudah dilakukan secara eksperimental, viskositas beberapa cairan dapat berubah jutaan kali lipat. Ketika suhu menurun, viskositas beberapa cairan meningkat sedemikian rupa sehingga cairan tersebut kehilangan fluiditasnya, berubah menjadi padatan amorf.
SAYA DAN. Frenkel menurunkan rumus yang menghubungkan koefisien viskositas suatu cairan dengan suhu:
, (15.3)
Di mana A– faktor yang bergantung pada jarak antara posisi kesetimbangan molekul-molekul dalam cairan dan frekuensi getaran molekul, Δ E- energi yang harus diberikan kepada molekul cair agar dapat berpindah dari satu posisi kesetimbangan ke posisi kesetimbangan lain yang berdekatan (energi aktivasi). Nilai Δ E biasanya memiliki urutan (2 − 3) . 10 -20 J, oleh karena itu, menurut rumus (15.3), ketika cairan dipanaskan sebesar 10 0 C, viskositasnya berkurang 20–30%.
Koefisien viskositas gas jauh lebih rendah dibandingkan cairan. Dengan meningkatnya suhu, viskositas gas meningkat (Gbr. 15.2) dan pada suhu kritis menjadi sama dengan viskositas cairan.
Perbedaan perilaku viskositas terhadap perubahan suhu menunjukkan adanya perbedaan mekanisme gesekan internal pada zat cair dan gas. Teori kinetik molekul menjelaskan viskositas gas perpindahan momentum dari satu lapisan ke lapisan lain, terjadi karena perpindahan materi selama pergerakan molekul gas yang kacau. Akibatnya, dalam lapisan gas yang bergerak lambat, proporsi molekul cepat meningkat, dan kecepatannya (kecepatan rata-rata diarahkan pergerakan molekul) meningkat. Lapisan gas yang bergerak lambat akan tertahan oleh lapisan yang lebih cepat, dan lapisan gas yang bergerak dengan kecepatan lebih tinggi akan diperlambat. Dengan meningkatnya suhu, intensitas pergerakan kacau molekul gas meningkat, dan viskositas gas meningkat.
Viskositas suatu zat cair mempunyai sifat yang berbeda-beda . Karena rendahnya mobilitas molekul cairan perpindahan momentum dari lapisan ke lapisan terjadi karena interaksi molekul. Viskositas cairan terutama ditentukan oleh gaya interaksi antar molekul (gaya adhesi). Dengan meningkatnya suhu, interaksi antar molekul cairan menurun dan viskositas juga menurun.
Meskipun sifatnya berbeda, viskositas zat cair dan gas dari sudut pandang makroskopis dijelaskan dengan persamaan yang sama (15.1). Besarnya impuls yang berpindah dari satu lapisan gas atau cairan ke lapisan lain dalam waktu Δ T, dapat ditemukan dari hukum kedua Newton:
Dari (15.1) dan (15.4) kita memperoleh:
. (15.5)
Maka arti fisis dari koefisien viskositas dinamis dapat dirumuskan sebagai berikut: koefisien viskositas secara numerik sama dengan momentum yang ditransfer antar lapisan cairan atau gas dengan satuan luas per satuan waktu dengan gradien kecepatan satuan. Tanda minus menunjukkan bahwa momentum berpindah dari lapisan yang lebih cepat ke lapisan yang lebih lambat.
Ketika suatu benda bergerak dalam medium kental, timbul gaya resistensi. Asal usul perlawanan ini ada dua.
Pada kecepatan rendah, ketika tidak ada vortisitas di belakang tubuh (yaitu aliran di sekitar tubuh laminar), gaya hambatan ditentukan oleh viskositas medium. Terdapat gaya adhesi antara benda yang bergerak dengan medium, sehingga tepat di dekat permukaan benda tersebut, lapisan gas (cairan) tertahan seluruhnya, seolah-olah menempel pada benda tersebut. Ini bergesekan dengan lapisan berikutnya, yang terletak sedikit di belakang tubuh. Yang, pada gilirannya, mengalami gaya gesekan dari lapisan yang lebih jauh, dan seterusnya. Lapisan yang sangat jauh dari tubuh dapat dianggap diam. Untuk aliran laminar, gaya gesekan sebanding dengan kecepatan benda: . Perhitungan teoritis gesekan internal untuk pergerakan bola dalam media kental dengan kecepatan rendah, ketika tidak ada vortisitas, mengarah ke rumus stokes:
, (15.6)
dimana adalah jari-jari bola, kecepatan geraknya, dan koefisien viskositas dinamis medium.
Mekanisme kedua gaya resistensi diaktifkan pada gerakan benda berkecepatan tinggi, ketika aliran menjadi turbulen. Saat kecepatan suatu benda meningkat, pusaran muncul di sekitarnya. Bagian dari pekerjaan yang dilakukan ketika suatu benda bergerak dalam cairan atau gas menuju pembentukan pusaran, yang energinya diubah menjadi energi internal. Pada aliran turbulen pada rentang kecepatan tertentu, gaya hambat sebanding dengan kuadrat kecepatan benda: .
bagian eksperimental
Instrumen dan perlengkapan: pengaturan laboratorium, mikrometer, penggaris, jangka sorong, stopwatch, bola.
Metode penentuan
Metode ini didasarkan pada pengukuran kecepatan gerak tetap bola padat dalam media kental di bawah pengaruh gaya eksternal yang konstan, dalam kasus paling sederhana - gravitasi.
Mari kita turunkan rumus kerja untuk menentukan koefisien viskositas menggunakan metode Stokes. Jika Anda mengambil bola yang massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis zat cair, bola tersebut akan tenggelam, tenggelam ke dasar wadah. Tiga gaya bekerja pada bola yang jatuh (Gbr. 15.3):
1. gaya gesekan kental F C menurut hukum Stokes (15.6), diarahkan ke atas, menuju kecepatan: F C = 6 πηr v;
2. gravitasi ke bawah:
, (15.7)
dimana massa bola; – kepadatan bola; – akselerasi jatuh bebas; – volume bola sama dengan:
; (15.8)
3. gaya apung F Arch, menurut hukum Archimedes, sama dengan berat fluida yang dipindahkan:
F Lengkungan = Vρ Dan G, (15.9)
dimana adalah massa jenis zat cair.
Mari kita tuliskan persamaan gerak (hukum kedua Newton) untuk bola jatuh yang diproyeksikan pada sumbu vertikal:
ma=F kabel - F Lengkungan – F S.(15.10)
Gravitasi dan gaya apung tidak bergantung pada kecepatan bola. Gaya gesekan dalam hukum Stokes berbanding lurus dengan kecepatan. Oleh karena itu, pada beberapa bagian awal aku 0(Gbr. 15.3) jatuhnya bola ke dalam zat cair, sedangkan kecepatannya rendah, gaya gesekannya lebih kecil dari perbedaan antara gaya gravitasi dan gaya apung, dan akibatnya bola bergerak dengan percepatan. Ukuran plot aku 0 dapat diperkirakan dari persamaan gerak (lihat di bawah).
Ketika kecepatan jatuhnya bola meningkat, gaya gesekan viskos meningkat. Sejak mencapai kesetaraan
F C = F kabel - F Lengkungan (15/11)
jumlah gaya yang bekerja pada bola menjadi sama dengan nol, dan bola, sesuai dengan hukum pertama Newton, bergerak secara seragam melalui inersia, dengan kecepatan yang diperolehnya hingga saat ini.
Dari kecepatan jatuhnya bola yang stabil, koefisien viskositas zat cair dapat dicari η .
Setelah mensubstitusi ekspresi (15.6-15.9) ke dalam (15.11), kita memperoleh:
setelah mengurangi dan mengganti jari-jari bola melalui diameternya , :
. (15.12)
Dari (15.12) kita nyatakan koefisien viskositas dinamis:
. (15.13)
Terakhir, kita nyatakan kecepatan v bola dalam jarak yang ditempuh dan waktu jatuh::
. (15.14)
Rumus turunan (15.14) untuk menghitung koefisien viskositas, serta rumus Stokes (15.6), diperoleh dengan asumsi bahwa bola bergerak dalam bejana yang volumenya tidak terbatas. Ketika sebuah bola bergerak sepanjang sumbu bejana silinder dengan diameter berhingga D, rumus (14) harus memperhitungkan pengaruh dinding bejana. Rumus kerja yang disempurnakan adalah:
. (15.15)
dimana diameter bejana silinder instalasi.
Deskripsi instalasi.
Pemasangannya terdiri dari bejana transparan berbentuk silinder tinggi 1 (Gbr. 15.3), yang tingginya diberi tanda 2 pada dinding pada jarak tertentu satu sama lain.Cairan uji 3 dengan massa jenis yang diketahui dituangkan ke dalam bejana. Untuk menentukan viskositasnya, bola-bola kecil 4, yang massa jenisnya sedikit lebih besar daripada massa jenis zat cair, diturunkan ke dalam cairan di bagian atas bejana dekat bagian tengah.
Perintah kerja
Latihan 1. Penentuan koefisien viskositas suatu zat cair tanpa memperhitungkan pengaruh dinding bejana.
1. Gunakan jangka sorong untuk mengukur diameternya D bola.
2. Dengan menggunakan pinset atau tongkat yang dibasahi, turunkan bola ke tengah wadah.
3. Dengan menggunakan stopwatch, tentukan waktu yang diperlukan bola untuk melewati tanda tersebut.
4. Ukur jarak antar tanda dengan penggaris. Ulangi langkah 1-3 untuk empat bola lagi.
6. Temukan nilai rata-rata koefisien viskositas dan hitung kesalahannya.
Latihan 2. Penentuan koefisien viskositas suatu cairan menggunakan rumus yang disempurnakan dengan mempertimbangkan pengaruh dinding bejana.
1. Ukur diameter dalam bejana 1 dengan penggaris.
3. Bandingkan hasil yang diperoleh dengan menggunakan rumus (15.14) dan (15.15) dan tarik kesimpulan.
4. Masukkan seluruh hasil ke dalam tabel menggunakan Formulir 15.1.
Formulir 15.1.
| № | d, m | Δd, m | t, c | Δt, s | jam, m | Δh, m | η, Lulus | Δη saya , Lulus | Δη menurut (15.17) | D, M | η', Lulus | aku 0 , m |
| Rata-rata | – | – |
Komentar. Kesalahan koefisien viskositas Δη dihitung dengan dua cara:
a) menurut metode standar untuk menghitung kesalahan variabel acak:
, (15.16)
dimana koefisien Student untuk jumlah percobaan dan probabilitas keyakinan α=0,95 sama dengan: t n, α =2,57; Δη saya =|η rata-rata– η saya |.
b) berdasarkan rumus (15.14) menggunakan metode standar untuk menghitung kesalahan pengukuran tidak langsung:
, (15.17)
Di mana 
, 
, 
.
Perhitungan menurut (15.17) dilakukan untuk satu percobaan, dan kesalahan instrumental harus diambil sebagai , dan.
Latihan 3. Penilaian luas jatuhnya bola tidak rata l 0 .
Mari kita turunkan rumus untuk memperkirakan aku 0 .
Mari kita tulis rumus (15.10):
ma=F kabel - F Lengkungan – F S.(15.10)
setelah mengganti ekspresi (15.6-15.9) kita mendapatkan:
ρ w sebuah=(ρ w – ρ Dan) G –6πηr v,
atau setelah pembagian berdasarkan suku ρ w :
,
. (15.18)
Berdasarkan keputusan persamaan diferensial(15.18) akan ada fungsi:
dimana v r adalah kecepatan gerak beraturan (stabil), v 0 adalah kecepatan awal bola, yang dapat dianggap sama dengan nol, koefisien B dalam eksponen sama dengan:
Anda dapat memverifikasi bahwa (15.19) adalah solusi persamaan (15.18) dengan mensubstitusikan (15.19) ke (15.18), setelah terlebih dahulu menghitung turunan waktu dari kecepatan v; dalam hal ini ungkapan untuk B(15.20), dan rumus kecepatan tetap (lihat (15.13)):
. (15.21)
Perhatikan bahwa (15.19) memenuhi kondisi awal: untuk t= Kecepatan 0 sama dengan v 0, di T→∞ kecepatan v→v r. Pergerakan dapat dianggap hampir seragam jika eksponennya kecil:
Hal ini terwujud ketika ( bt)→∞, yaitu jika T>>B-1 . Cukup dengan meminta ( bt)=4; dalam hal ini, perbedaan kecepatan dari kecepatan stabil tidak lebih dari 2% (pada v 0 =0): . Jadi, mari kita perkirakan aku 0, mengintegrasikan (15.19) dari waktu ke waktu selama interval, di mana:
dari mana, dengan mempertimbangkan (15.20) dan (15.21):
,
dan akhirnya:
. (15.22)
1. Perkirakan luas gerak tidak beraturan bola dengan menggunakan rumus (15.22).
2. Tuliskan hasilnya pada tabel 15.1.
3. Bandingkan nilai yang diperoleh dengan nilai l0 yang sebenarnya digunakan dalam instalasi.
4. Buatlah kesimpulan.
Pertanyaan kontrol.
1. Tuliskan rumus Newton untuk koefisien viskositas dinamis. Buatlah gambar penjelasan.
2. Berapa koefisien viskositas dinamisnya? Jelaskan arti fisiknya dan turunkan dimensinya.
3. Menjelaskan mekanisme gesekan dalam pada gas dan zat cair. Bagaimana viskositas gas dan cairan bergantung pada suhu? Mengapa?
4. Gaya apa yang bekerja pada bola yang jatuh ke dalam zat cair? Buatlah gambar dan tuliskan hukum kedua Newton untuk bola yang jatuh dalam fluida kental.
5. Mengapa, mulai dari momen tertentu, bola bergerak beraturan?
6. Bagaimana kecepatan jatuhnya bola bergantung pada diameternya?
7. Apakah masuk akal untuk menggunakan rumus yang disempurnakan (15.15) saat melakukan pekerjaan pada instalasi ini?
8. Turunkan rumus perhitungan perkiraan (15.14) untuk koefisien viskositas.
9. Buktikan (15.19) dan (15.20).
Buku Bekas
§9.4; §10.7, 10.8; §75, 76, 78, 130; §5.6, 5.7; §31, 33, 48.
Pekerjaan laboratorium 1-16 “Penentuan modulus Young dengan metode defleksi”
Tujuan pekerjaan: menentukan modulus Young suatu material dengan mengukur defleksi batang yang diberi beban.
Pengenalan teoritis
Kekuatan, daya tahan dan keandalan produk logam (padatan) yang beroperasi dalam berbagai kondisi sangat bergantung pada karakteristik yang menentukan sifat elastis bahan.
Dalam hal ini, kita akan menganggap benda padat sebagai media kontinu dengan kepadatan tertentu. Di bawah pengaruh kekuatan luar Benda padat mengalami deformasi sampai tingkat tertentu, yaitu mengubah bentuk dan volumenya. Dengan berbagai macam deformasi benda, setiap deformasi dapat direduksi menjadi dua deformasi utama (dasar): tegangan (kompresi) dan geser. Regangan tarik dicirikan oleh nilai perpanjangan relatif:
dimana panjang badan sebelum diregangkan; – setelah peregangan; – perpanjangan mutlak.
Deformasi disebut elastis jika, setelah beban dihilangkan, ukuran dan bentuk benda pulih sepenuhnya, yaitu. Ini adalah deformasi yang dapat dibalik.
Jenis deformasi ini disebut geser padat, di mana semua lapisan datarnya, sejajar dengan suatu bidang tetap, yang disebut bidang geser, tanpa menekuk atau mengubah ukurannya, bergeser sejajar satu sama lain. Deformasi geser ditandai dengan besarnya pergeseran relatif. Untuk regangan geser kecil, geser relatif hanyalah sudut yang diukur dalam radian.
Selama deformasi geser seragam, besarnya di semua titik benda adalah sama.
Peregangan tubuh selalu disertai kontraksi yang sesuai persilangan dan, sebaliknya, kompresi - dengan peningkatan penampang yang sesuai. Karakteristik dari perubahan dimensi transversal selama tarik dan kompresi adalah ekspansi atau kompresi transversal relatif:
, (16.2)
dimana adalah ukuran melintang benda sebelum deformasi, dan setelah deformasi.
Jelas bahwa tanda deformasi memanjang berlawanan dengan tanda deformasi melintang. Sikap
disebut rasio Poisson. Itu tidak bergantung pada ukuran benda dan untuk semua benda yang terbuat dari bahan tertentu, itu adalah konstanta yang mencirikan sifat-sifatnya. Untuk semua benda yang diketahui di alam, rasio Poisson mempunyai nilai yang berkisar antara 0 hingga 0,5.
Deformasi benda padat nyata digambarkan dalam bentuk diagram. Dalam hal ini, akan lebih mudah untuk menentukan tegangan bukan berdasarkan gaya, tetapi dengan rasio gaya terhadap luas penampang:
 |
(16.4)
Besaran dalam mekanika benda padat yang dapat dideformasi disebut tegangan dan diukur dalam N/m 2. Diagram tegangan secara skematis disajikan pada Gambar 16.1 dalam bentuk ketergantungan. Seperti dapat dilihat dari Gambar 16.1, pada deformasi kecil (tegangan sebanding dengan deformasi). Ini adalah hukum Hooke, yang diketahui dari sekolah. Titik A sesuai dengan tegangan maksimum dimana proporsionalitas antara dan masih tetap terjaga, sehingga hukum Hooke masih berlaku.
dimana adalah modulus elastisitas (modulus Young untuk bahan tertentu).
Tegangan yang bersesuaian dengan titik A disebut batas proporsionalitas. Di atas t Dan perpanjangan meningkat lebih cepat daripada tegangan. Di daerah ini (t.A’) letak batas elastis benda. Definisi yang akurat Umumnya tidak mungkin untuk memberikan batas elastis suatu benda, karena deformasi sisa kecil selalu diamati.
Lebih jauh (di luar titik A') area fluiditas material (deformasi plastis) dimulai - deformasi terbesar yang dialami material hampir seluruhnya dipertahankan sebagai sisa, namun integritas material belum terganggu. Dengan beban yang lebih besar, kehancuran terjadi.
Daerah deformasi elastis biasanya sangat kecil (misalnya, untuk baja, batas elastisnya sesuai dengan nilai orde 0,001).
Berbeda dengan tegangan dan kompresi, deformasi geser disebabkan oleh tegangan geser
dimana adalah gaya yang sejajar dengan permukaan benda padat yang menyebabkan geser.
Untuk deformasi kecil, hukum Hooke dalam hal ini memiliki bentuk yang mirip dengan (16.5):
dimana adalah koefisien proporsionalitas antara tegangan geser dan sudut geser - disebut modulus geser.
Jadi, sifat elastis benda elastis yang dapat dideformasi dicirikan oleh dua modulus elastis utama - modulus Young dan modulus geser. Konstanta elastis lainnya adalah rasio Poisson. Dalam padatan isotropik (benda tersebut memiliki sifat yang sama ke segala arah), ketiga konstanta ini tidak independen, tetapi terkait satu sama lain melalui relasi
Dari (16.8), omong-omong, dapat disimpulkan bahwa dalam benda padat.
bagian eksperimental
Dalam pekerjaan ini, modulus elastisitas sampel yang diusulkan ditentukan dan ketergantungan deformasi pada beban diperiksa.
Instalasi yang digunakan ditunjukkan pada Gambar. 16.2.
Tikungan itu melambangkan lebih banyak lagi tampilan yang rumit deformasi daripada deformasi tarik atau tekan, karena melibatkan tegangan dan kompresi. Lapisan sampel yang berbeda menanggung beban yang berbeda saat ditekuk. Dalam kebanyakan kasus, uji lentur dilakukan dengan beban terkonsentrasi pada sampel yang terletak pada dua penyangga. Sampel biasanya dibuat dalam bentuk batang berbentuk persegi panjang. Panjang sampel lebih besar 40-60 mm dari jarak antar penyangga. Lebar sampel harus dua kali ketebalannya.
Gantungan pemberat ditempatkan pada sampel uji, dan sampel ditempatkan pada penyangga logam tajam. Suspensi dengan beban terletak pada jarak yang sama dari titik tumpu batang. Boom defleksi H sampel diukur dengan dial indikator.
Jika gaya vertikal yang diarahkan tegak lurus terhadap sumbu batang diterapkan pada bagian tengah batang (Gbr. 16.2), meletakkan ujung-ujungnya pada penyangga tetap, maka deformasi lentur akan diamati (pada Gambar 16.2 deformasi tidak ditunjukkan ke skala). Lapisan bawah batang mengalami deformasi tarik, lapisan atas mengalami deformasi tekan, dan lapisan tengah yang panjangnya tidak berubah, tidak memikul beban dan disebut netral. Dalam apa yang disebut lentur murni, tegangan yang dialami oleh lapisan material selama deformasi berbanding lurus dengan deformasinya: kompresi berhubungan dengan tegangan negatif, tegangan - tegangan positif.
Besarnya defleksi ternyata berbanding terbalik dengan modulus Young. Penurunan rumus modulus Young dengan metode ini relatif rumit. Rumus akhirnya terlihat seperti:
, (16.9)
dimana: F – gaya yang diterapkan pada sampel, ;
– panjang sampel antar penyangga;
– contoh panah defleksi;
– lebar sampel;
– ketebalan sampel.
Pengaturan laboratorium
Diagram instalasi untuk menentukan modulus Young berdasarkan defleksi ditunjukkan pada Gambar. 16.3.
Pemandu besar 2 dipasang pada alas 1. Tiang tegak 3 dan braket 4 dapat bergerak sepanjang itu, dijepit pada posisi yang diperlukan dengan sekrup 5 (secara manual). Tiang tegak di ujung atas dengan prisma 6, pada ujung paralel tempat dipasang sampel terukur 7. Pada soket 8 braket, indikator perpindahan 10 dijepit secara manual dengan sekrup 9. Pada sampel, di seberang indikator , anting-anting 11 digantung dengan platform untuk pemberat khusus (dengan slot) 12. Ketika platform dimuat dengan pemberat, sampel melorot. Panah defleksi 13 dicatat dengan menggerakkan panah indikator.
Teknik pengukuran
1. Kendurkan sekrup 5, pasang prisma 6 pada jarak yang ditentukan (oleh guru). Kencangkan sekrupnya.
2. Pasang braket 4 pada jarak yang sama dari tiang. Kencangkan sekrupnya.
3. Letakkan sampel pada prisma sehingga soket indikator terletak di atas bagian tengah sepanjang lebar sampel.
4. Masukkan indikator ke dalam soket, tekan perlahan ke bawah sehingga penunjuk skala kecil berada di dekat tanda 5 mm. Kencangkan indikator secara hati-hati dengan sekrup 9.
5. Ukur ketebalannya dengan jangka sorong B dan lebar A Sampel. Ukur jarak antara tepi prisma dengan penggaris aku. Atur indikator ke nol dengan memutar cincin.
6. Tempatkan beban pada platform dengan hati-hati. Catat (pada skala merah) pembacaan indikator.
7. Lepaskan beban dari platform. Jika panah telah berpindah dari tanda nol, setel ke nol. Ulangi pengukuran beberapa kali dengan beban yang sama untuk dikontrol.
8. Lakukan pengukuran defleksi seperti langkah 7 dengan beban bermassa lebih besar (ambil massa sekitar 1,2,3,4,5 kg).
9. Masukkan hasilnya pada tabel usulan formulir 16.1.
Formulir 16.1.
10. Hitung modulus Young untuk setiap pengukuran dan rata-ratakan hasilnya.
11. Hitung kesalahan dalam menentukan modulus Young D E(cukup menghitung untuk satu percobaan).
12. Nilai modulus Young yang bertepatan dengan memperhitungkan kesalahan D E satu sama lain, yaitu tidak melebihi batas nilai ( E cp + D E)Dan ( E cp - D E), memungkinkan kita menentukan nilai sebenarnya (rata-rata) dari modulus Young.
13. Dengan memperhatikan butir 12, tentukan nilai rata-rata modulus Young.
14. Kesalahan modulus Young D E ditentukan dari rumus kerja(16.9) sebagai jumlah kesalahan parsial dari semua besaran yang termasuk dalam ekspresi:
Pertanyaan kontrol.
1. Berapakah modulus Young?
2. Berapakah pemanjangan absolut dan relatif suatu sampel?
3. Apa yang dimaksud dengan tekanan mekanis?
4. Berapa rasio Poisson?
5. Apa yang dimaksud dengan kompresi lateral absolut dan relatif?
6. Manakah dari ciri-ciri berikut yang berhubungan dengan bahan tersebut?
7. Manakah dari karakteristik berikut yang berlaku untuk sampel?
8. Hukum Hooke dan arti fisisnya.
9. Kurva ketergantungan S(e) dan titik serta bagian karakteristiknya.
10. Deformasi geser, ilustrasi deformasi plastis.
11. Apa gunanya? metode ini pengukuran E?
12. Apakah modulus Young bergantung pada beban dan defleksi?
13. Apa perbedaan deformasi defleksi dengan deformasi tarik?
14. Tuliskan rumus modulus defleksi Young.
Buku Bekas
§14; §21; §48.
Pekerjaan laboratorium 1-17 “Studi tentang deformasi tarik elastis”
Tujuan pekerjaan: tentukan koefisien elastisitas, modulus Young dan rasio Poisson untuk sampel karet dan periksa penerapan hukum Hooke untuk sampel ini.
Pengenalan teoritis
Zat cair menolak perubahan volumenya, namun tidak menolak perubahan bentuk. Hukum Pascal, karakteristik zat cair, dikaitkan dengan sifat ini: tekanan yang diteruskan zat cair ke segala arah adalah sama.
Benda padat menolak perubahan volume dan perubahan bentuk; mereka dikatakan tahan terhadap deformasi apa pun. Hukum Pascal tidak berlaku untuk benda padat. Tekanan yang ditransmisikan oleh benda padat berbeda dalam arah yang berbeda. Tekanan yang timbul pada benda padat selama deformasi disebut menekankan. Berbeda dengan tekanan pada zat cair, tegangan elastis pada benda padat dapat memiliki arah berapa pun relatif terhadap luas tempat gaya bekerja. Namun dengan segala variasi deformasi benda padat, ternyata setiap deformasi benda dapat direduksi menjadi dua tipe utama, yang oleh karena itu disebut
dimana adalah koefisien proporsionalitas yang bergantung pada sifat bahan silinder, tetapi tidak bergantung pada dimensinya. Ini disebut modulus elastisitas atau modulus Young suatu bahan tertentu.
Jika deformasi suatu benda cukup kecil, maka setelah aksi gaya luar yang menyebabkan deformasi berhenti, benda tersebut kembali ke keadaan semula yang tidak berubah bentuk. Deformasi seperti ini disebut elastis.
Hubungan (17.2) disebut hukum Hooke. Modulus Young, bagaimanapun, belum mencirikan sifat elastis penuh suatu benda. Hal ini juga dapat dilihat pada Gambar 17.1. – peregangan memanjang silinder dikaitkan dengan pengurangan dimensi melintangnya: ketika memanjang, silinder secara bersamaan menjadi lebih tipis. Ciri khas dari perubahan ini adalah kompresi lateral relatif
Pekerjaan laboratorium No.2
PENENTUAN KOEFISIEN VISKOSITAS CAIRAN TRANSPARAN DENGAN METODE STOKES
Tujuan pekerjaan: mengenal cara menentukan koefisien kekentalan zat cair transparan dengan menggunakan metode bola yang bergerak dalam zat cair.
Peralatan: silinder kaca berisi cairan bening; stopwatch; mikrometer; bilah skala; bola timah.
Teori masalah dan metode melakukan pekerjaan
Fenomena transportasi menyatukan sekelompok proses yang terkait dengan ketidakhomogenan dalam kepadatan, suhu, atau kecepatan pergerakan teratur setiap lapisan materi. Fenomena transportasi meliputi difusi, gesekan internal dan konduktivitas termal.
Fenomena gesekan dalam (viskositas) adalah munculnya gaya gesek antar lapisan gas atau zat cair yang bergerak relatif satu sama lain, sejajar dan dengan kecepatan berbeda. Lapisan yang bergerak lebih cepat memberikan gaya percepatan pada lapisan di dekatnya yang bergerak lebih lambat. Gaya gesekan internal yang timbul dalam hal ini diarahkan secara tangensial ke permukaan kontak lapisan (Gbr. 1, 2).
Besarnya gaya gesek dalam antara lapisan-lapisan yang berdekatan sebanding dengan luas dan gradien kecepatannya, sehingga hubungan yang diperoleh secara eksperimental oleh Newton adalah valid.
Besaran tersebut disebut koefisien gesekan internal atau koefisien viskositas dinamis. Dalam SI diukur dalam .
Besaran yang termasuk dalam (1) menunjukkan bagaimana kecepatan fluida dalam ruang berubah ketika titik pengamatan bergerak dengan arah tegak lurus lapisan. Konsep gradien kecepatan diilustrasikan pada Gambar. 12.
Beras. 1. Gradien kecepatan konstan
Gambar 1 menunjukkan distribusi kecepatan lapisan fluida antara dua pelat sejajar, salah satunya diam dan yang lainnya berkecepatan . Situasi serupa terjadi pada lapisan pelumas di antara bagian-bagian yang bergerak. Dalam hal ini, lapisan cairan yang berbatasan langsung dengan masing-masing pelat memiliki kecepatan yang sama. Lapisan yang bergerak akan menyeret sebagian lapisan di sekitarnya. Akibatnya, di ruang antar pelat kecepatan fluida berubah arah secara seragam. Jadi disini
.
Beras. 2. Gradien kecepatan variabel
Gambar 2 menunjukkan distribusi kecepatan fluida di sekitar bola yang bergerak vertikal ke bawah dengan kecepatan tertentu.
Diasumsikan kecepatannya rendah, sehingga tidak terbentuk vortisitas dalam cairan. Dalam hal ini, zat cair yang berbatasan langsung dengan permukaan bola mempunyai kelajuan sebesar . Gerakan ini sebagian melibatkan lapisan cairan yang jauh dari bola. Dalam hal ini, kecepatan berubah paling cepat ke arah dekat bola.
Adanya gradien kecepatan pada permukaan benda menunjukkan bahwa benda tersebut dipengaruhi oleh gaya gesekan internal, bergantung pada koefisien viskositas. Nilainya sendiri ditentukan oleh sifat cairan dan biasanya sangat bergantung pada suhunya.
Gaya gesekan internal dan koefisien viskositas suatu cairan dapat ditentukan dengan berbagai metode - dengan kecepatan aliran cairan melalui lubang yang dikalibrasi, dengan kecepatan pergerakan suatu benda dalam cairan, dll. Dalam karya ini, metode yang diusulkan oleh Stokes digunakan untuk penentuan.
Sebagai contoh, perhatikan gerak beraturan sebuah bola kecil berjari-jari di dalam zat cair. Mari kita nyatakan kecepatan bola relatif terhadap fluida dengan . Distribusi kecepatan pada lapisan cairan yang berdekatan yang dimasukkan oleh bola harus berbentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Di dekat permukaan bola, kecepatan ini sama dengan , dan seiring bertambahnya jarak kecepatan ini berkurang dan praktis menjadi sama dengan nol pada jarak tertentu dari permukaan bola.
Jelasnya, semakin besar jari-jari bola, semakin besar massa besar zat cair ditarik olehnya, dan harus sebanding dengan jari-jari bola: . Maka nilai rata-rata gradien kecepatan pada permukaan bola adalah sama dengan
.
Luas permukaan bola dan gaya gesek total yang dialami bola yang bergerak adalah sama dengan
.
Perhitungan yang lebih rinci menunjukkan bahwa untuk bola, akhirnya 
– Rumus Stokes.
Dengan menggunakan rumus Stokes, Anda dapat, misalnya, menentukan laju pengendapan partikel kabut dan asap. Ini juga dapat digunakan untuk memecahkan masalah kebalikannya - dengan mengukur kecepatan jatuhnya bola ke dalam cairan, viskositasnya dapat ditentukan.
Sebuah bola yang jatuh ke dalam zat cair bergerak dengan percepatan beraturan, tetapi seiring bertambahnya kecepatannya, gaya hambatan zat cair juga akan bertambah hingga gaya gravitasi bola di dalam zat cair sama dengan jumlah gaya hambatan dan gaya gesek bola. cairan terhadap pergerakan bola. Setelah itu akan terjadi pergerakan dengan kecepatan tetap.
Saat bola bergerak, lapisan cairan yang membatasi permukaannya menempel pada bola dan bergerak dengan kecepatan bola. Lapisan cairan terdekat yang berdekatan juga ikut bergerak, tetapi kecepatan yang diterimanya semakin kecil, semakin jauh jaraknya dari bola. Jadi, ketika menghitung hambatan suatu medium, gesekan masing-masing lapisan cairan terhadap satu sama lain harus diperhitungkan, dan bukan gesekan bola terhadap cairan.
Jika sebuah bola jatuh dalam cairan yang memanjang tak terhingga ke segala arah, tanpa meninggalkan pusaran apa pun (kecepatan jatuh rendah, bola kecil), maka, seperti yang ditunjukkan Stokes, gaya tariknya sama dengan
dimana koefisien gesekan internal fluida; – kecepatan bola; – radiusnya.
Selain gaya, bola juga dipengaruhi oleh gravitasi dan gaya Archimedean, yang sama dengan berat cairan yang dipindahkan oleh bola. Untuk bola
; 
,(3)
dimana , adalah massa jenis bahan bola dan zat cair yang diteliti.
Ketiga gaya tersebut akan diarahkan secara vertikal: gravitasi - ke bawah, gaya angkat dan gaya tarik - ke atas. Mula-mula, setelah memasuki zat cair, bola bergerak dengan kecepatan yang dipercepat. Dengan asumsi bahwa pada saat bola melewati batas atas, kecepatannya telah ditentukan, kita peroleh
dimana waktu yang dibutuhkan bola untuk menempuh jarak antar tanda, dan merupakan jarak antar tanda.
Gerak bola bertambah, percepatannya berkurang, dan akhirnya bola mencapai kecepatan yang percepatannya menjadi nol
Substitusikan nilai-nilai besaran ke dalam persamaan (4), kita peroleh:
.(5)
Menyelesaikan persamaan (5) mengenai koefisien gesekan internal, kita memperoleh rumus perhitungan:
.(6)
Beras. 3. Perangkat stokes
Gambar 3 menunjukkan suatu alat yang terdiri dari silinder kaca lebar yang diberi dua tanda horizontal berbentuk lingkaran dan ( adalah jarak antar tanda), yang diisi dengan cairan uji (minyak jarak, minyak trafo, gliserin) sehingga ketinggian cairan adalah 5¸8 cm di atas tanda teratas.
Perintah kerja
Untuk mengukur koefisien gesekan internal suatu cairan, seperti minyak, diambil bola yang sangat kecil. Diameter bola-bola ini diukur dengan mikrometer. Waktu jatuhnya bola diukur dengan menggunakan stopwatch.
1. Dengan menggunakan mikrometer, ukur diameter bola.
2. Ukur waktu yang diperlukan setiap bola untuk jatuh di antara dua tanda dan . Masukkan bola ke dalam lubang corong dan pada saat melewati tanda atas, nyalakan stopwatch, dan pada saat melewati tanda bawah, matikan.
3. Lakukan percobaan minimal lima kali.
4. Ukur jarak antar tanda. Hitung kecepatan bola dan gunakan rumus (5) untuk mencari nilai koefisien viskositas.
5. Ambil massa jenis zat cair dan bola dari tabel besaran fisika.
6. Temukan nilai rata-rata koefisien viskositas, perkirakan kesalahan pengukuran absolut dan relatif.
Pertanyaan kontrol
1. Bagaimana cara menentukan koefisien viskositas Stokes suatu zat cair?
2. Gaya apa yang bekerja pada bola ketika bergerak dalam zat cair?
3. Bagaimana koefisien gesekan internal zat cair bergantung pada suhu?
4. Aliran fluida apa yang disebut laminar dan turbulen? Bagaimana aliran ini ditentukan oleh bilangan Reynolds?
5. Apa arti fisis dari koefisien kekentalan zat cair?
6. Mengapa pengukuran hanya benar pada kecepatan rendah?
7. Untuk cairan gliserin atau air manakah koefisien viskositas dapat ditentukan lebih akurat dengan metode yang dipertimbangkan?
8. Ada dua bola timah dengan diameter berbeda. Manakah yang mempunyai laju penurunan zat cair lebih besar?
9. Mendeskripsikan fenomena transpor lainnya (difusi dan konduktivitas termal). Hukum apa yang mereka patuhi?
1. Metode Stokes(J. Stokes (1819-1903) - fisikawan dan matematikawan Inggris). Metode penentuan viskositas ini didasarkan pada pengukuran kecepatan benda bulat kecil yang bergerak perlahan dalam cairan.
Sebuah bola yang jatuh vertikal ke bawah dalam zat cair dipengaruhi oleh tiga gaya: gravitasi ( - massa jenis bola), gaya Archimedes 
( - massa jenis fluida) dan gaya hambatan, yang secara empiris ditetapkan oleh J. Stokes: dimana -
radius bola, v- kecepatannya. Dengan gerakan bola yang seragam
Dengan mengukur kecepatan gerak seragam bola, Anda dapat menentukan kekentalan zat cair (gas).
2. Metode Poiseuille(J. Poiseuille (1799-1868) - ahli fisiologi dan fisikawan Perancis). Metode ini didasarkan pada aliran laminar cairan dalam kapiler tipis. Pertimbangkan kapiler dengan radius R dan panjang. Dalam suatu cairan, mari kita secara mental memilih lapisan silinder dengan radius dan ketebalan dr(Gbr. 54).
Gaya gesekan internal (lihat (31.1)), yang bekerja pada permukaan lateral lapisan ini,
Di mana dS- permukaan lateral lapisan silinder; tanda minus berarti semakin besar jari-jari maka kecepatannya semakin berkurang.
Untuk aliran fluida tunak, gaya gesek dalam yang bekerja pada permukaan samping silinder diseimbangkan dengan gaya tekanan yang bekerja pada alasnya:
Setelah integrasi, dengan asumsi adanya adhesi cairan pada dinding, yaitu kecepatan pada suatu jarak R dari sumbu sama dengan nol, kita peroleh
Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan partikel cair terdistribusi menurut hukum parabola, dengan bagian atas parabola terletak pada sumbu pipa (lihat juga Gambar 53).
Selama T suatu zat cair akan mengalir keluar dari pipa yang volumenya
dari mana asal kekentalannya?
laboratorium 5
Penentuan viskositas dinamis suatu zat cair menggunakan metode Stokes
Perangkat dan aksesori
- Silinder dengan cairan uji; satu set bola; mikrometer; stopwatch.
Tujuan pekerjaan
Kuasai cara menentukan koefisien gesekan dalam (viskositas dinamis) suatu zat cair dan menentukannya dengan menggunakan metode Stokes.
Teori singkat
Viskositas adalah sifat zat cair (dan gas) untuk menahan pergerakan suatu bagian zat cair relatif terhadap bagian lain atau pergerakan benda padat dalam zat cair tersebut. Karena viskositas, energi kinetik cairan diubah menjadi.
Ketika suatu fluida nyata mengalir antar lapisan yang mempunyai kecepatan berbeda, timbul gaya gesekan. Gaya-gaya tersebut disebut gaya gesek internal.
Dalam cairan, gaya gesekan internal disebabkan oleh interaksi molekul. Pergerakan beberapa lapisan cairan relatif terhadap lapisan lainnya disertai dengan putusnya ikatan antar molekul lapisan yang bersentuhan. Pergerakan lapisan dengan kecepatan tinggi melambat. Lapisan dengan kecepatan lebih rendah mengalami percepatan.
Diketahui bahwa gaya interaksi antar molekul melemah dengan meningkatnya suhu cairan; oleh karena itu, gaya gesekan internal akan berkurang dengan meningkatnya suhu.
Viskositas suatu zat cair juga bergantung pada sifat zat dan pengotor yang ada di dalamnya. Ketika cairan yang berbeda dicampur secara mekanis, viskositas campuran dapat berubah secara signifikan. Jika pencampuran menghasilkan yang baru senyawa kimia, maka viskositas campuran dapat bervariasi dalam rentang yang luas.
Dalam gas, jarak antar molekul jauh lebih besar daripada jari-jari aksi gaya antarmolekul, sehingga gesekan internalnya jauh lebih kecil daripada gesekan internal dalam cairan.
Untuk menilai gesekan internal dalam cairan, digunakan dinamika dan viskositas.
Viskositas dinamis mencirikan sifat kohesif suatu cairan (kohesi adalah adhesi bagian-bagian benda yang sama, cair atau padat, satu sama lain. Karena ikatan kimia dan interaksi molekuler). Penting untuk menilai fluiditas suatu cairan ketika memilih, misalnya, perangkat takaran (nozel, nozel, dll.).
Viskositas kinematik mencirikan sifat perekat suatu cairan (adhesi adalah adhesi permukaan benda yang berbeda. Berkat adhesi, pelapisan, pengeleman, pengelasan, dll., serta pembentukan lapisan permukaan dimungkinkan).
Karakteristik ini penting ketika memilih pelumas untuk berbagai mesin dan mekanisme guna mengurangi gaya gesekan antar bagian perangkat tersebut.
Viskositas dinamis dan kinematik berhubungan satu sama lain melalui hubungan:
dimana η adalah viskositas dinamis;
τ - viskositas kinematik;
ρ adalah massa jenis zat cair.
Dalam sistem GHS
η diukur dalam g/cm⋅s = P (ketenangan);
- - dalam cm2/s = St (Stokes);
ρ - dalam g/cm3.
Dalam sistem SI
- diukur dalam Pa⋅s;
- - dalam m2/dtk;
ρ - dalam kg/m3.
Karena dalam prakteknya lebih mudah menentukan viskositas dinamis daripada viskositas kinematik, maka karakteristik ini biasanya ditentukan, misalnya dengan metode Stokes (metode bola jatuh).
Inti dari metode ini adalah sebagai berikut. Jika sebuah bola yang massa jenis bahannya lebih besar daripada massa jenis zat cair diturunkan ke dalam wadah berisi zat cair, maka bola tersebut mulai jatuh. Dalam hal ini, tiga gaya akan bekerja pada bola: gaya gravitasi – F, gaya Archimedes – FA dan gaya resistensi terhadap gerakan – FC (Gbr. 1).
Beras. 1. Gaya-gaya yang bekerja pada bola ketika jatuh ke dalam zat cair
Secara umum, gaya resistensi terhadap gerakan atau gaya gesekan internal ditentukan oleh hukum Newton untuk zat cair:
, (2)
dimana viskositas dinamis;
Gradien kecepatan, mencirikan perubahan kecepatan dari lapisan ke lapisan (Gbr. 2);
ΔS - area kontak lapisan;
tanda “–” menunjukkan bahwa gaya gesekan dan kecepatan bola berlawanan arah.
Beras. 2. Aliran fluida laminar
Dari rumus (2) dapat disimpulkan bahwa viskositas dinamis secara numerik sama dengan gaya gesekan internal yang bekerja per satuan permukaan lapisan yang bersentuhan dengan gradien kecepatan sama dengan satu. Dengan asumsi rumus (2) ΔS = 1 m2, dυ/dz=-1 s-1, kita peroleh
Akibat dari hukum Newton (2) adalah rumus Stokes untuk benda bulat yang bergerak dalam zat cair:
, (3)
dimana kecepatan bola;
Jari-jari bola.
Karena kecepatan gerak suatu benda meningkat seiring dengan bertambahnya kecepatan, dan gaya-gayanya konstan, maka beberapa saat setelah dimulainya gerak, gaya-gaya yang berlawanan arah saling mengimbangi, yaitu.
Mulai saat ini pergerakan bola akan seragam.
Mengingat bahwa
, dan (5)
, (6)
dimana dan adalah massa jenis bahan bola dan zat cair, hubungan (4) dapat ditulis sebagai:
(7)
Dari ekspresi (7) ditemukan viskositas dinamis.
- rumus perhitungan (8)
Dalam sistem GHS = 981 cm/s2.
Dalam rumus (8), perbandingan adalah nilai konstanta massa jenis tertentu bahan bola dan massa jenis zat cair, oleh karena itu, saat mengolah hasil pengukuran, konstanta ini dapat dihitung satu kali, lalu dikalikan dengan r2 dan dibagi dengan kecepatan bola jatuh υ.
Perlu diingat bahwa (3) berlaku untuk aliran fluida laminar (irrotasional). Pergerakan ini terjadi ketika bola jatuh dengan kecepatan rendah, yang mungkin terjadi jika massa jenis bahan bola sedikit melebihi massa jenis zat cair.
Deskripsi perangkat
Alat tersebut berupa silinder kaca berisi cairan yang diuji. Silinder memiliki dua tanda cincin horizontal a dan b, terletak agak jauh satu sama lain (Gbr. 1). Tanda atas terletak 5 - 8 cm di bawah permukaan cairan dalam silinder sehingga pada saat bola melewati tanda atas, jumlah geometri gaya yang bekerja pada bola sama dengan nol.
1. Ukur diameter bola dalam milimeter dengan mikrometer, ubah milimeter menjadi sentimeter dan cari jari-jari bola. Bola diturunkan ke dalam cairan uji sedekat mungkin dengan sumbu silinder.
2. Saat bola melewati tanda teratas, nyalakan stopwatch. Ketika bola melewati tanda terbawah, stopwatch dimatikan.
3. Ulangi pengukuran minimal 5 kali. Hasilnya dicatat pada Tabel 1.
Tabel 1
Hasil yang diperlukan untuk mencari koefisien viskositas fluida
Pengolahan hasil pengukuran
1. Hitung kelajuan bola untuk setiap percobaan menurut
rumus, dimana l adalah jarak antara tanda atas dan bawah.
2. Hitung nilainya menggunakan rumus (8).
3. Hitung rata-rata nilai aritmatika koefisien viskositas dan kesalahan pengukuran absolut dan masukkan pada Tabel 1.
4. Tentukan kesalahan pengukuran relatif dengan menggunakan rumus:
.
5. Hasil pengukuran dicatat dalam bentuk:
, g/cm⋅s.
6. Hitung viskositas kinematik menggunakan rumus:
.
Pertanyaan untuk mempersiapkan laporan pekerjaan Anda
Pilihan 1
Cairan apa yang disebut ideal? Aliran apa yang disebut laminar? Apa itu gradien kecepatan? Merumuskan hukum Stokes. Mengapa kecepatan arus di tengah sungai lebih besar dibandingkan di tepi sungai? Kapankah gerak benda yang jatuh ke dalam zat cair menjadi beraturan? Merumuskan hukum gravitasi universal. Mengapa benda berbentuk bola digunakan untuk menentukan kekentalan suatu zat cair? Apa arti fisis dari koefisien viskositas?
10. Satuan pengukuran koefisien viskositas.
Opsi No.2
Berapakah kekentalan suatu zat cair? Koefisien viskositas bergantung pada apa? Merumuskan hukum Archimedes. Apakah gaya apung bekerja saat ini padamu? Berapakah gaya apung yang bekerja pada bola yang jatuh ke dalam zat cair? (Rumus). Ke mana arah vektor gaya gesekan internal dan diterapkan pada apa? Dua lapisan zat cair yang mempunyai kecepatan 2 dan 3 cm/detik yang jarak antara keduanya 0,06 m, bergerak relatif satu sama lain. Tentukan gradien kecepatan. Bagaimana cara mengurangi kekentalan suatu zat cair? Apakah koefisien gesekan dalam bergantung pada tinggi silinder?
10. Kapan gerak fluida menjadi turbulen?
Opsi No.3
Merumuskan hukum Newton untuk gesekan internal. Sebuah sungai yang lebarnya 50 m mempunyai kecepatan arus 90 cm/detik di tengah dan 10 cm/detik di tepi sungai. Tentukan gradien kecepatan saat ini. Bandingkan hasil yang Anda peroleh untuk menentukan koefisien viskositas cairan dengan tabel. Jelaskan perbedaan data tersebut! Ubah koefisien viskositas ke sistem SI. Apa yang menentukan kesalahan pengukuran dalam pekerjaan ini? Mengapa gaya gesek pada gas lebih kecil dibandingkan pada cairan? Bagaimana koefisien viskositas suatu zat cair bergantung pada diameter silinder? Gaya apa yang bekerja pada bola yang jatuh ke dalam zat cair? Bagaimana bola bergerak dalam zat cair: beraturan, lambat beraturan, dipercepat beraturan?
2. Fisika Grabovsky. Edisi ke 6. - St.Petersburg: Lan Publishing House, 2002, hlm.186-191.
3. Fisika Kuznetsov. Departemen Penerbitan Universitas Teknik Negeri Perm, 2003, 314 hal.
