Номер 6, страница 74 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

6. Как определяют вязкость жидкости? В чем ее измеряют?

Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Определение вязкости является важной задачей в физике, химии и инженерии, так как это одна из ключевых характеристик жидкости.

Как определяют вязкость жидкости?

В основе измерения вязкости лежит закон вязкого трения Ньютона, который гласит, что сила внутреннего трения $F$ между двумя слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, прямо пропорциональна площади соприкосновения слоев $S$ и градиенту скорости $dv/dx$ в направлении, перпендикулярном направлению движения:

$F = \eta S \frac{dv}{dx}$

Коэффициент пропорциональности $\eta$ в этой формуле называется динамической вязкостью. Для измерения вязкости используют специальные приборы — вискозиметры. Существует несколько основных методов и типов вискозиметров:

1. Капиллярный метод. Основан на измерении времени, за которое определенный объем жидкости протекает через узкую трубку (капилляр) под действием силы тяжести или известного перепада давлений. Расчет вязкости производится по закону Пуазейля. Наиболее распространенным прибором является стеклянный вискозиметр Оствальда или Уббелоде. Этот метод чаще используется для определения кинематической вязкости ($\nu$), которая связана с динамической вязкостью ($\eta$) и плотностью ($\rho$) соотношением $\nu = \eta / \rho$.

2. Ротационный метод. В этом методе измеряется момент силы (крутящий момент), необходимый для вращения тела (шпинделя, цилиндра) в исследуемой жидкости с постоянной угловой скоростью, либо измеряется угловая скорость вращения тела под действием постоянного крутящего момента. Величина крутящего момента напрямую связана с вязкостью жидкости. Ротационные вискозиметры (например, вискозиметр Брукфилда) позволяют измерять вязкость в широком диапазоне и особенно удобны для неньютоновских жидкостей, вязкость которых зависит от скорости сдвига.

3. Метод падающего шарика. Основан на законе Стокса. В этом методе измеряется время, за которое шарик известного радиуса и плотности проходит определенное расстояние, падая в вязкой жидкости под действием силы тяжести. Достигнув установившейся (терминальной) скорости, шарик движется равномерно, и по этой скорости, зная плотности шарика и жидкости, можно рассчитать динамическую вязкость. Примером такого прибора является вискозиметр Гепплера.

Важно отметить, что вязкость жидкости сильно зависит от температуры (у большинства жидкостей она уменьшается с ростом температуры), поэтому все измерения проводят при строго контролируемой температуре.

В чем ее измеряют?

Различают два вида вязкости: динамическую и кинематическую, и для каждой из них существуют свои единицы измерения.

Динамическая вязкость ($\eta$) измеряется в следующих единицах. В Международной системе единиц (СИ) — в паскаль-секундах ($Па \cdot с$), где $1 \text{ Па} \cdot \text{с} = 1 \frac{\text{Н} \cdot \text{с}}{\text{м}^2} = 1 \frac{\text{кг}}{\text{м} \cdot \text{с}}$. В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) используется единица пуаз (П), причем $1 \text{ П} = 0.1 \text{ Па} \cdot \text{с}$. На практике часто используют сотую долю пуаза — сантипуаз (сП), где $1 \text{ сП} = 0.001 \text{ Па} \cdot \text{с}$. Для примера, вязкость воды при 20°C примерно равна 1 сП.

Кинематическая вязкость ($\nu$) измеряется в следующих единицах. В системе СИ — в квадратных метрах на секунду ($\text{м}^2/\text{с}$). В системе СГС используется единица стокс (Ст), причем $1 \text{ Ст} = 1 \text{ см}^2/\text{с} = 10^{-4} \text{ м}^2/\text{с}$. Часто используется сотая доля стокса — сантистокс (сСт), где $1 \text{ сСт} = 1 \text{ мм}^2/\text{с} = 10^{-6} \text{ м}^2/\text{с}$.

Ответ: Вязкость жидкости определяют с помощью приборов-вискозиметров, работа которых основана на разных физических принципах: капиллярном, ротационном или методе падающего шарика. Различают динамическую вязкость, которую измеряют в паскаль-секундах ($Па \cdot с$) или пуазах (П), и кинематическую вязкость, которую измеряют в квадратных метрах на секунду ($\text{м}^2/\text{с}$) или стоксах (Ст).