Физика: механика и термодинамика (стр. 7 из 10)

Формулы для расчета погрешностей вычисленных моментов инерции и расчет погрешностей: ……………………………………………………………………………………………….

Окончательный результат с абсолютной и относительной погрешностью измерения:

J = … ± …. кг× м² ; d_J = … %

Выводы: ……………………………………………………………………………………………

Часть III. Крутильный маятник

Задание 1.Определение зависимости периода колебаний крутильного маятника от

момента инерции груза

Таблица 3.1.

№ стерж.	m, кг	l, м	J, кгм²	N	t, c	T, с	T², с²
1
2
3
4
5

График зависимости T² =f(J)

Вывод: ……………………………………………………………………………………………..

Задание 2. Определение модуля сдвига материала методом крутильных колебаний

Материал подвеса: ............

Диаметр проволоки: d = ... ± .... мм = (… ± …)´10^-3 м

Длина подвеса: L = ... ± ... см = (… ± …) ´10^-2 м

Угловой коэффициент наклона графика:k =(DT)²/DJ = …

Коэффициент упругости кручения проволоки: f = 4p²/k = ….

Модуль сдвига материала проволоки:

G = ... ± ... Н/м², d_G = ... %

Выводы: .....................................................................................................................................…..

Задание 3. Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний

Форма тела: ……….

Масса тела: m = … ± …. кг

Коэффициент упругости кручения проволоки: f = ….

Период колебаний тела: Т = …±… с

Измеренный момент инерции тела относительно центра тяжести: J = … кг×м²

Формула для расчета погрешности измеренного момента инерции и расчет погрешностей: ……………………………………………………………………………………………….

Окончательный результат с абсолютной и относительной погрешностью измерения:

J = … ± …. кг× м² ; d_J = … %

Геометрические размеры тела (с погрешностями измерений): …………………………….

Вычисленный момент инерции тела относительно центра тяжести: J = … кг×м²

Формула для расчета погрешности вычисленного момента инерции и расчет погрешностей: ……………………………………………………………………………………………….

Окончательный результат с абсолютной и относительной погрешностью измерения:

J = … ± …. кг× м² ; d_J = … %

Выводы……………………………………………………………………………………………..

Цель работы

Углубить теоретические представления о механизмах возникновения внутреннего трения. Освоить методы измерения вязкости жидкостей и газов.

1. Теоретическая часть

Макроскопическое движение, возникшее в жидкости или газе под действием внешних сил, постепенно прекращается. Очевидно, что это происходит под действием сил сопротивления, существующих внутри жидкостей и газов. Силы такого внутреннего трения присущи всем реальным жидкостям и газам и составляют основу понятия вязкости.

1.1. Вязкость жидкостей

Причину возникновения сил вязкого трения в жидкостях можно пояснить с помощью рисунка 1. Пусть два слоя жидкости, середины которых отстоят друг от друга на расстоянии dz, имеют скорости v₁ и v₂.Co стороны слоя, который движется быстрее, на слой, который движется медленнее, действует ускоряющая сила F₁.Наоборот, на быстрый слой действует тормозящая сила F₂ со стороны медленного слоя. Эти силы, направленные по касательной к слоям, называются силами внутреннего трения. И. Ньютон предложил для их расчета следующую формулу

, (1)

где dv/dz- градиент скорости движения слоев в направлении, перпендикулярном трущимся слоям, S - площади соприкасающихся слоев, h - динамическая вязкость (вязкость) жидкости или газа или коэффициент внутреннего трения. Динамическая вязкость - характеристика данного вещества, численно она равна силе трения, возникающей между двумя слоями этой жидкости площадью по 1 м² каждый при градиенте скорости, равном 1 м/с на метр. Размерность коэффициента вязкости

. В некоторых случаях принято пользоваться так называемой кинематической вязкостью, равной динамической вязкости жидкости, деленной на плотность жидкости

В жидкостях внутреннее трение обусловлено действием межмолекулярных сил. Расстояния между молекулами жидкости сравнительно невелики, а силы взаимодействия значительны. Молекулы жидкости, подобно молекулам твердого тела, колеблются около

положения равновесия, но эти положения не являются постоянными. По истечении некоторого времени молекула скачком переходит в новое положение. Это время называется временем «оседлой жизни» молекулы. Среднее время «оседлой жизни» молекул называется временем релаксацииt. Вязкость жидкости обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, характерными для каждого вещества. Вещества с малой вязкостью - текучи, и наоборот, сильно вязкие вещества могут иметь механическую твердость, как, например, стекло. Вязкость существенно зависит от количества и состава примесей, а также от температуры. С повышением температуры время релаксации уменьшается, что обуславливает рост подвижности жидкости и уменьшение ее вязкости.

1.2. Вязкость газов

Вязкость газов, в отличие от жидкостей, увеличивается при повышении температуры. Различный характер зависимости вязкости газов и жидкостей от температуры указывает на различный механизм их возникновения, хотя формула Ньютона одинаково справедлива и для обоих этих состояний.

Рассмотрим, как возникает внутреннее трение в газах. В отличие от жидкостей здесь силы внутреннего трения возникают в результате микрофизического процессапередачи импульса от одного слоя газа к другому. Переносчиками импульса выступают молекулы газа.

Выделим в движущемся потоке газа вдоль вектора скорости два параллельных соприкасающихся слоя. Пусть скорости их движения по величине и направлению таковы, как показано на рисунке 2. Имеющиеся в тепловой скорости, а, следовательно, и в импульсе молекул составляющие р_x в рассматриваемых слоях неодинаковы. Молекулы, находящиеся в более медленном, «нижнем», слое имеют меньшую составляющую импульса р_x и, попав в «верхний» слой, затормаживают его. «Верхние»же молекулы, наоборот, переносят импульс больший, чем имеют молекулы «нижнего» слоя, и поэтому ускоряют этот слой.

Вязкость различных газов неодинакова и тем больше, чем больше молекулярная масса газа. Она увеличивается также с повышением давления, т.е. концентрации молекул, и температуры. Чем выше температура газа, тем интенсивней происходит обмен молекулами между его слоями, тем лучше работает механизм внутреннего трения.

1.3. Движение твердого тела в жидкости

При движении тел в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этих сил можно объяснить двумя разными механизмами. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей (ламинарное течение или обтекание), сила сопротивления обуславливается только вязкостью жидкости. Слои жидкости, прилегающие к телу, неподвижны относительно тела. Граничащие с ними слои увлекаются ими по описанному выше механизму вязкого трения в жидкостях. Так создаются силы, тормозящие относительное движение твердого тела и жидкости. Величину этих силы трения можно рассчитать с использованием формулы Ньютона (1).