BÀI 4XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNGTHEO PHƯƠNG PHÁP STỐC [ STOKES ]I. MỤC ĐÍCH,YÊU CẦU THÍ NGHIỆM1. Mục đích: Biết cách xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương phápstokes.2.Yêu cầu: Xác định hệ số nhớt của dầu nhờn theo công thức:1η= .18[ ρ 1 − ρ ]. d 2 . g .τdL.[1 + 2 ,4 ]DTrong đó:- ρ1 : Khối lượng riêng của viên bi thép- ρ : Khối lượng riêng của dầu nhờn- d: Đường kính của viên bi thép- g : Gia tốc trọng trường- τ : Thời gian viên bi chuyển động trong cột chất lỏng- L: Chiều dài cột chất lỏng- D: Đường kính ống trụII. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆMBộ thiết bị thí nghiệm vật lý MN-971A gồm :- ống thuỷ tinh cao 95cm, khắc độ 2mm/vạch- Dầu nhờn có hệ số nhớt cần đo- viên bi thép- Phễu định hướng dùng thả các viên bi- Nam châm nhỏ dùng lấy các viên bi ra khỏi chất lỏng- Thiết bị hiện số đo thời gian rơi của viên bi- Hai đầu cảm biến- Thước panme 0-25mm, độ chính xác 0 ,01mmIII . CƠ SỞ LÝ THUYẾTKhi chất lỏng chuyển động thành lớp trong một ống hình trụ theo hướng songsong với trục Ox của ống, người ta nhận thấy vận tốc định hướng v của các phântử trong các lớp chất lỏng có trị số giảm dần tới 0 theo hướng Oz [vuông góc vớiOx] tính từ tâm O đến thành ống [Hình 1]. Sự khác nhau về trị số vận tốc địnhhướng của các lớp chất lỏng là do ở mặt tiếp xúc giữa các lớp này đã xuất hiệncác lực nội ma sát có tác dụng cản trở chuyển động tương đối của chúng .Bản chất của lực nội ma sát có thể giải thích theo thuyết động học phân tử, bởizv+dvdzx0Hình 1sự trao đổi động lượng của các phân tử giữa các lớp chất lỏng có vận tốc địnhhướng khác nhau. Các phân tử của lớp chuyển động nhanh A, khuếch tán sanglớp chuyển động chậm B, truyền bớt động lựợng cho các phân tử của lớp B, làmtăng vận tốc định hướng cho lớp B. Ngược lại, các phân tử của lớp chuyển độngchậm B, khuếch tán sang lớp chuyển động nhanh A, thu bớt động lượng của cácphân tử của lớp A, làm vận tốc định hướng của lớp A giảm.Thực nghiệm chứng tỏ trị số của lực nội ma sát F ms giữa hai lớp chất lỏng cóvận tốc định hướng là v và v+dv, nằm cách nhau một khoảng dz dọc theo phươngOz, tỷ lệ với gradien vận tốc theo phương Oz : dv/dz và tỷ lệ với diện tích mặt tiếpxúc ∆S giữa hai lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau :dνFms = η .. ∆Sdz[1]Hệ số tỷ lệ η gọi là hệ số nhớt động lực học của chất lỏng. Trị số của η phụthuộc bản chất của chất lỏng và giảm khi nhiệt độ tăng. Đơn vị đo của η làkg/m.s .2r3zx vHình 2III . PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆMGiả sử có một viên bi nhỏ bán kính r đang rơi thẳng đứng với vận tốc vtrong khối chất lỏng, thì lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngoài viên bi cũngchuyển động theo với cùng vận tốc v. Do tác dụng của lực nội ma sát, lớp chấtlỏng này sẽ kéo các lớp khác nằm gần nó chuyển động theo. Thực nghiệmchứng tỏ trên khoảng cách 2 r / 3 tính từ mặt ngoài viên bi ra xa nó , vận tốc củacác lớp chất lỏng giảm dần từ v đến 0 [Hình 2]. Khi đó gradien vận tốc theophương Oz bằng :dvv −03.v==2r / 32.rdzTheo công thức [1], lực nội ma sát giữa lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngoàicủa viên bi ,[ có diện tích ∆S = 4π .r 2 , r : bán kính viên bi ] và lớp chất lỏng tiếpxúc với nó có trị số bằng :dv3.vFms = η .. ∆S = η .. 4π .r 2dzhay2.rFms = 6.π.η.r.v [3]Công thức này gọi là công thức Stokes, nó cho biết lực nội ma sát Fms tăng tỷ lệvới vận tốc v và chỉ đúng đối với những vận tốc v không lớn [cỡ vài m/s] củaviên bi chuyển động trong chất lỏng rộng vô hạn .Có thể xác định hệ số nhớt η của chất lỏng theo phương pháp Stokes nhờ bộthiết bị vật lý kiểu MN-971A [Hình 3] gồm : ống thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng 3được giữ thẳng đứng trên giá đỡ 9, hai đầu cảm biến từ 4 và 5 được nối với mộtbộ đo thời gian hiện số trên mặt phía trước của hộp chân đế 8.Khi thả viên bi có khối lượng m qua phễu định tâm rơi vào trong chất lỏng,viên bi sẽ chịu ba lực tác dụng :- Trọng lực P hướng thẳng đứng từ trên xuống và có trị số bằng :911123Hình 34581067P = m.g =4π . r 3ρ 1 .g3[4]với r là bán kính và ρ 1 là khối lượng riêng của viên bi, g là gia tốc trọng trường .- Lực đẩy Acsimét FA hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng trọnglượng của khối chất lỏng bị viên bi chiếm chỗ :4 3FA = πr .ρ.g[5]3với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng .- Lực nội ma sát FC hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng :Fc= 6 π .η. r .ν[6]với v là vận tốc của viên bi và η là hệ số nhớt của chất lỏngHình 3Dưới tác dụng của các lực nêu trên, viên bi sẽ chuyển động với gia tốca = dv/dt tuân theo định luật Newton 2 :m.dv= P + FA + FCdt[ 7]Gia tốc a làm cho vận tốc rơi v của viên bi tăng dần, mặt khác khi v tăng thìlực nội ma sát tăng theo . Khi v đạt đến giá trị v o thì lực đẩy Acsimét và lực nộima sát sẽ triệt tiêu hoàn toàn trọng lực P, viên bi sẽ chuyển động đều.Cho phương trình [7] bằng 0 và chiếu xuống hướng chuyển động của viên bi ,ta được :44π . r 3 ρ 1 . g - πr 3 . ρ . g - 6 π . η. r . v o = 033Rút ra :2 [ρ1 − ρ].r 2 .gη=9vo[8]Có thể xác định trị số của v0 bằng cách đo khoảng thời gian chuyển động τcủa viên bi rơi thẳng đều giữa hai vạch chuẩn 4 và 5 cách nhau một khoảng L :v0 =L. Thay v0 vào [ 8 ] với d là đường kính của viên bi, ta tìm được :τη=1 [ ρ 1 − ρ ]. d 2 . g .τ.18L[9]Thực tế, chất lỏng không rộng vô hạn mà chứa trong một ống trụ có đườngkính D hữu hạn. Trong trường hợp này, hệ số nhớt η của chất lỏng được tínhtheo công thức :[ ρ 1 − ρ ]. d 2 . g .τd[ 10 ]L.[1 + 2 ,4 ]DNếu biết các đại lượng ρ 1 , ρ , g , L và D , ta có thể xác định hệ số nhớt η1η= .18của chất lỏng một cách đơn giản bằng cách đo đường kính d của viên bi vàkhoảng thời gian rơi thẳng đều τ giữa hai vạch chuẩn chọn trước.IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM1. Đo đường kính d của viên bi bằng thước panme1.1 .Giới thiệu cách sử dụng thước panmePanme là dụng cụ đo độ dài chính xác tới 0,01 mm. Cấu tạo của nó gồm : mộtcán thước hình chữ U mang thân vít 1 và đầu tựa cố định 2; Dọc theo thân vít 1người ta khắc một thước kép có độ chia cách nhau 0,50 mm nằm so le nhau ởhai bên đường chuẩn ngang : nửa trên của thước kép là các vạch nguyên của mm[ N = 0, 1, 2, 3, ... 25 mm ], nửa dưới của thước kép là các vạch bán nguyên củamm [ N’ = 0.5, 1.5, 2.5, 3.5... mm ]. Một thước tròn 3 dạng ống trụ, bên trong241635Hình 4gắn trục vít 4 có ren chính xác, bước ren 0.5mm, được vặn vào thân vít1 nhờ hệthống ren chính xác này. Khi thước tròn 3 quay một vòng, trục vít 4 sẽ tịnh tiến0.5 mm. Theo chu vi thước tròn, người ta chia 50 độ chia bằng nhau, như vậykhi xoay thước tròn dịch chuyển 1 độ chia so với đường vạch chuẩn ngang, trụcvít 4 tịnh tiến một khoảng bằng :∆ = 0.5[mm].1= 0.01mm50∆ gọi là độ chính xác của panme.Độ chính xác của bước ren, độ phẳng và nhẵn của các mặt đầu trục vít 4 vàđầu tựa cố định 2, là những yếu tố quyết định độ chính xác của panme. Để tránhlàm hỏng hệ thống ren, người ta thiết kế thêm một trục quay trượt 5 gắn vào đuôithước tròn 3 : Khi vặn ra, ta quay cán thước tròn 3, khi vặn vào ta quay trục trượt5, đến khi trục vít 4 chạm vật đo sẽ phát ra tiếng kêu tách tách. Một cần gạt nhỏ6 dùng để hãm trục vít 4; Khi đo ta nhớ gạt cần hãm này sang phía phải thì mớixoay được thước tròn 3. Trước khi đo cần kiểm tra điểm “0” của panme. Dùnggiẻ sạch lau nhẹ hai mặt đầu của đầu tựa cố định 2 và trục vít 4, vặn từ từ trụcquay trượt 5 cho đến khi nghe tiếng tách tách. Quan sát vạch “0” trên thước tròn3. Nếu panme đã được điều chỉnh đúng thì vạch “0” trên thước tròn 3 trùng vớiđường vạch chuẩn trên thân vít 1.Trưòng hợp không trùng, hãy hiệu chỉnh độlệch “0” để sau thêm bớt. Nếu vạch “0” nằm dưới đường chuẩn n vạch thì kếtquả đo phải trừ đi 0,01n [mm] và ngược lại.Để đo đường kính d của viên bi, ta đặt viên bi tựa vào đầu cố định 2, rồi vặn từtừ đầu 5 để trục vít 4 tiến vào tiếp xúc với viên bi cho tới khi nghe thấy tiếng"tách tách" thì ngừng lại, gạt nhẹ cần 6 sang phía trái để hãm trục vít 4.- Nếu mép thước tròn nằm sát bên phải vạch N của dãy vạch nguyên[nằmphía trên đường chuẩn ] của thước kép, còn đường chuẩn trùng với vạch thứ ncủa thước tròn, thì đường kính viên bi là :d = N + 0,01 . n [mm]- Nếu mép thước tròn nằm sát bên phải vạch N’ của dãy vạch bán nguyên[nằm phía dưới đường chuẩn ] của thước kép, còn đường chuẩn trùng với vạchthứ n của thước tròn, thì đường kính viên bi là :d = N’ + 0,01.n = N + 0,5 + 0,01.n [mm]Trong đó N là vạch nguyên[ dãy trên ] nằm kề sát bên trái vạch N’.1.2. Dùng panme, thực hiện 10 lần phép đo đường kính d của viên và ghi vàobảng 1.2 . Đo khoảng thời gian chuyển động τ của viên bi rơi trong chất lỏng2.1. Lắp đặt và điều chỉnh thăng bằng.Vặn các chân vít ở mặt đáy của hộp chân đế 8 [ Hình 3 ] để điều chỉnh saocho ống thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng hướng thẳng đứng. Giữ nguyên vị trí của cácđầu cảm biến 4 và 5 nằm phía cuối ống cách nhau khoảng 35 cm.Cắm phích lấy điện của bộ thiết bị vật lý MN-971A vào ổ điện ~ 220V. Bấm khoáK trên mặt máy : đèn LED phát sáng và các chữ số hiện thị trong các cửa sổ"TIME" và "N" trên mặt máy.2.2 Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến 4 và 5 của bộ đo thời gian hiện số nhưsau :- Vặn cả hai núm xoay 6 và 7 ngựợc chiều kim đồng hồ về vị trí tận cùngbên trái. Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến 5 [ nằm ở dưới ] bằng cách xoay thậttừ từ núm xoay 7, theo chiều kim đồng hồ về bên phải cho tới khi các chữ sốhiện thị trên cửa sổ "TIME" bắt đầu đổi trạng thái [ từ đứng yên chuyển sangnhảy số hoặc ngược lại ] thì dừng, rồi vặn trả lại về bên trái một chút [ khoảng1/3- 1/2 độ chia của nó ]. Cần làm đi làm lại vài ba lần để tìm thấy chính xác vịtrí ngưỡng M của núm [7] tại đó bộ đếm lật trạng thái , để có thể đặt nó đúng vịtrí bên trái sát điểm M , đủ nhạy để khi viên bi đi qua cảm biến 5, bộ đếm phảilật .Có thể kiểm tra lại vị trí này bằng cách chạm nhẹ viên bi vào mặt của cảmbiến 5 sát thành ống : nếu các chữ số hiện thị trên cửa sổ "TIME" thay đổi trạngthái thì cảm biến 5 đã được điều chỉnh đủ nhạy để hoạt động .Thực hiện động tác tương tự đối với núm xoay 6 để điều chỉnh độ nhạy củacảm biến 4[ phía trên ].Cuối cùng bấm nút "RESET" để đưa các chữ số hiện thị trên các cửa sổ đềutrở về 0 , hệ thống sẵn sàng đo. Lưu ý rằng , ta chỉ có thể điều chỉnh ngưỡng lậttrạng thái cho một cảm biến khi cảm biến kia nằm ở trước ngưỡng lật [ bên tráiđiểm M].2.3. Đo thời gian rơi của viên biThả nhẹ viên bi qua phễu định tâm để nó rơi thẳng đứng dọc theo trục củaống thuỷ tinh đựng chất lỏng . Khi viên bi đi qua tiết diện ngang của cảm biến 4hoặc 5 ,nó sẽ làm xuất hiện một xung điện có tác dụng khởi động hoặc dừng bộđếm thời gian hiện số. Khoảng thời gian rơi τ của viên bi trên khoảng cách Lgiữa hai cảm biến 4 và 5 hiện thị trên cửa sổ TIME .Thực hiện 10 lần động tác này với cùng một viên bi đã chọn . Đọc và ghigiá trị của τ hiện thị trong cửa sổ "TIME" ứng với mỗi lần đo vào bảng 1 .[ Bên trái của cửa sổ "TIME" còn có cửa sổ hiện thị "N" để theo dõi số lầnhoạt động của các cảm biến 4 và 5 : mỗi lần viên bi đi qua một cảm biến, chữ sốhiện thị trong cửa sổ "N" lại tăng thêm một đơn vị .]Chú ý : Nếu khi viên bi đi qua hai cảm biến 4 hoặc 5, mà một hoặc cả haicảm biến này không hoạt động, thì ta phải thực hiện lại từ đầu động tác 2-2 mộtcách cẩn thận hơn.d. Sau mỗi lần đo, lấy viên bi ra khỏi ống nối 11 bằng cách dùng một namchâm nhỏ [ đặt trong hộp 10 ], áp sát nam châm vào ống nối 11 tại vị trí có viênbi và dịch chuyển nam châm nhẹ nhàng để viên bi bám theo, trượt dọc theo thânống nối 11 lên tới miệng ống này . Chờ cho dầu nhờn bám dính trên viên bi nhỏgiọt hết , lấy nó ra và đặt lên một tờ giấy thấm.2.4. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào các bảng 1 :- Độ chính xác của thước panme- Khối lượng riêng ρ của chất lỏng [dầu] .- Khối lượng riêng ρ 1 của viên bi .- Khoảng cách L giữa hai đầu cảm biến 4 và 5 .- Đường kính D của ống trụ thuỷ tinh .- Độ chính xác của bộ đo thời gian hiện số .IV. CÂU HỎI KIỂM TRA1. Giải thích sự xuất hiện của lực nội ma sát,nêu rõ bản chất và viết biểu thứccủa lực này. Đơn vị đo hệ số nhớt của chất lỏng .2. Trình bày phương pháp Stốc xác định hệ số nhớt của chất lỏng. Giải thíchnguyên nhân và nêu tính chất của lực cản, đối với chuyển động của viên bi rơitrong chất lỏng .3.Vận tốc của viên bi rơi trong chất lỏng thay đổi như thế nào? Tại sao việc đothời gian rơi của viên bi lại được thực hiện ở đoạn cuối của ống ống thuỷ tinh ?4.Trong điều kiện nào, ta có thể tính hệ số nhớt η của chất lỏng theo côngthức [9] hoặc công thức [10] ?BÁO CÁO THÍ NGHIỆMXÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG THEO PHƯƠNG PHÁPSTOKESXác nhận của giảng viênTrường ........................................Lớp ...................Tổ .....................Họ tên .........................................I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM.........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM[ Bảng số liệu trang sau]Chú ý : Sai số tuyệt đối của các đại lượng đo trực tiếp d, τ được xác định bằngtổng sai số do dụng cụ và sai số trung bình của các lần đo :∆d = [ ∆d ] dc + ∆d =......................................[ mm]∆τ = [ ∆τ ] dc + ∆τ =...........................................[ s]1. Xác định hệ số nhớt của chất lỏng [dầu nhờn]∆η ∆ρ1 + ∆ρ ∆g ∆τ ∆L=++++a. Sai số tương đối của hệ số nhớt ηρ1 − ρgLητ1∆d∆D [2D+2,4d]+2,4d= .....[%]D D + 2,4d d- Giá trị trung bình của hệ số nhớt η :1 [ ρ 1 − ρ ].d 2 .g ⋅ τ⋅= ...........................................................[ kg. m / s ]18dL.1 + 2,4 ⋅ Db. Sai số tuyệt đối của hệ số nhớt η :η=∆η = δ ⋅ η = ........................................ = .................[kg .m / s ]c. Viết kết quả của phép đoη = η ± ∆η = ........................ ± ........................ [ kg / m.s ]Bảng 1- Độ chính xác- Khối lượng riêng :- của panme : ...0,01 [mm]- của viên bi ρ 1 = ............. [kg/m3]ρ = ............. [kg/m3]- của bộ đo thời gian : ..0,001...[s]- của dầu- Đường kính ống trụ : D = .....[mm]- Khoảng cách giữa hai cảm biến :0- Nhiệt độ phòng : t C = ...............L = ................[m]d∆dτ∆τLần đo[mm][mm][s][s]12345678910Trung bìnhd =..............[ mm]∆d =................[ mm]III. TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢτ =................[s]∆τ =................[s]