Nhớt kế so sánh Zhukovsky

22

Nhớt kế so sánh Zhukovsky

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học A. E. ARINSHTEIN

Mọi người đều nhận thức rõ rằng, theo định luật Newton, không cần có lực nào để duy trì chuyển động của một vật ở tốc độ không đổi. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng tôi tin rằng điều ngược lại: nếu lực không được tác dụng lên vật thể chuyển động để hỗ trợ chuyển động này thì sớm muộn gì vật thể đó cũng sẽ rời đi.

Sự mâu thuẫn nhức nhối này rất dễ giải thích. Và tất nhiên, vấn đề không phải là vi phạm định luật Newton

TRÊN. Nói một cách đơn giản, do các tình huống thực tế, bất kỳ vật thể chuyển động nào cũng phải chịu các lực cản hướng vào chuyển động. Bản chất của các lực này có thể khác nhau, nhưng kết quả hoạt động của chúng là như nhau: cần có thêm lực để duy trì chuyển động, nếu không chuyển động sẽ chỉ dừng lại.

Một trong những đặc tính của vật liệu thân dẫn đến xuất hiện lực cản chuyển động là theo định luật Bernoulli, áp suất chất lỏng phải bằng nhau dọc theo toàn bộ chiều dài của đường ống. Trong thực tế, áp suất giảm dọc theo hướng chuyển động của chất lỏng và để duy trì dòng chảy ổn định ở đầu ống, phải duy trì một chênh lệch áp suất nhất định. Điều này là do tốc độ chuyển động của chất lỏng ở các khoảng cách khác nhau so với thành ống là không giống nhau và các lực gọi là lực nhớt phát sinh giữa các lớp riêng lẻ của chất lỏng chuyển động. Chúng có xu hướng làm chậm một trong hai lớp tiếp xúc chuyển động nhanh hơn và tăng tốc lớp chuyển động chậm hơn.

Hiệu ứng này biểu hiện khác nhau ở các chất lỏng khác nhau. Trong chất lỏng đặc như mật ong, nó rõ rệt hơn trong chất lỏng như nước. Do đó, chất lỏng đầu tiên được gọi là nhớt hơn và chất lỏng thứ hai ít nhớt hơn. (Đối với các vật thể ở trạng thái vô định hình, một dòng chảy nhớt, mặc dù rất yếu, cũng xảy ra. Chẳng hạn, người ta biết rằng sau vài chục, và đôi khi hàng trăm năm, một tấm thẳng đứng được đặt dưới dạng lực của một giọt kéo dài. Điều tương tự cũng xảy ra với nhũ đá - cặn lắng có công thức kỳ quái treo trên trần và tường của các hang động.)

Ngoài ra còn có đánh giá định lượng về tính chất nhớt - độ nhớt, một giá trị có thể thay đổi được (và điều này rất quan trọng đối với các nhà vật lý). Khái niệm này là gì?

Sau đó chúng tôi sẽ đặt chất lỏng (từ nay về sau chúng tôi sẽ đồng ý sử dụng từ này)

23

cả chất lỏng và chất khí) giữa hai tấm khá lớn, song song, nằm cách nhau một khoảng ngắn (Hình 1). Ban đầu, toàn bộ hệ thống kết thúc và tại một thời điểm nào đó, tấm trên bắt đầu chuyển động song song với tấm dưới với tốc độ không đổi $v_0$. Nhờ tính lưu động, chất lỏng cũng sẽ bắt đầu chuyển động, và lớp liền kề với tấm trên cùng sẽ di chuyển với tốc độ tương tự như tấm, lớp tiếp theo với tốc độ thấp hơn, lớp tiếp theo với tốc độ thậm chí còn thấp hơn, v.v. cho đến khi lớp dưới cùng, dường như dính vào tấm dưới cùng và vẫn ở trạng thái nghỉ. Hóa ra là để giữ cho tấm trên cùng chuyển động với tốc độ không đổi thì phải tác dụng một lực không đổi lên nó. Như Newton đã thiết lập bằng thực nghiệm, mô hình $F$ của lực này càng lớn, diện tích $S$ của tấm và tốc độ $v_0$ chuyển động càng nhỏ và khoảng cách $d$ giữa các tấm càng nhỏ (nói cách khác, lực trên một đơn vị diện tích bề mặt của tấm phụ thuộc vào tốc độ của dòng chất lỏng thay đổi khi di chuyển từ lớp này sang lớp khác):

$$F \sim S \frac{v_0}{d},$$

Hệ số tỷ lệ $\eta$ là độ nhớt của chất lỏng. Trong đơn vị SI, nó được đo bằng kg/($\text{m} \cdot \text{c}$).

Đối với các chất lỏng khác nhau, giá trị của nó là khác nhau và đối với bất kỳ chất lỏng nào, độ nhớt phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ. Vì vậy, trong cuộc sống, chúng ta thường nhận thấy khi nhiệt độ giảm xuống, nhiều chất lỏng đặc lại, tức là trở nên nhớt hơn. Do đó, khi thiết lập độ nhớt của một chất, họ luôn chỉ định nhiệt độ và nếu cần, đặt các giá trị độ nhớt khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ hoặc thậm chí là biểu đồ độ nhớt so với nhiệt độ (ví dụ: Hình 2 và Hình 3 hiển thị các biểu đồ như vậy đối với nước và dầu ô liu).

Độ nhớt có thể được đo bằng các dụng cụ đặc biệt được gọi là nhớt kế để làm điều này. Có một số loại nhớt kế khác nhau và chúng tôi muốn nói về một trong số chúng.

Thay đổi trực tiếp về độ nhớt - bộ xử lý khá mỏng. Nhưng nếu bạn có một chất lỏng đã biết độ nhớt, thì bạn có thể sử dụng vật liệu phế liệu theo đúng nghĩa đen để chế tạo một thiết bị mà bạn có thể dễ dàng so sánh độ nhớt của hai chất lỏng và từ đó xác định độ nhớt của chất lỏng xen kẽ. Chúng ta đang nói về nhớt kế so sánh Zhukovsky, được đặt theo tên của nhà khoa học nổi tiếng người Nga N. E. Zhukovsky, người đã phát minh và mô tả thiết bị này.

Máy đo độ nhớt so sánh (Hình 4) bao gồm một bình lớn $K$ chứa đầy nước, nhiệt độ của bình này được giữ không đổi và được điều khiển bằng nhiệt kế $T$. Có hai bình hình quả lê trong nước (ví dụ: bình sữa)

24

ki) B và B’, được đóng lại bằng nút gutta-percha. Mỗi phích cắm bao gồm hai ống: một ống cong, ống còn lại thẳng. Các ống cong 1 và 1’, treo ở cổ bình, được nối qua một chốt nối với một quả bóng cao su W (ví dụ, phù hợp với máy ảnh bóng đá hoặc ống tiêm y tế). Ống thẳng 2 và 2’ một đầu chạm tới đáy bình tương ứng, đầu kia đi vào cốc M và M’ (được lập trình theo cm khối). Phần nhô ra của các ống này có thể được uốn cong sao cho đầu của chúng gần như ngang bằng (cao hơn một chút) với mức chất lỏng trong bình B và B’. Điều này được thực hiện nhằm giảm sai số đo do mật độ khác nhau của chất lỏng (không cần phải khắc phục các lực áp suất khác nhau của chính chất mang chất lỏng).

Chúng ta đổ chất lỏng có độ nhớt đã biết vào bình B và đổ chất lỏng đang nghiên cứu vào bình B’, hạ chúng vào bình K và đổ nước có nhiệt độ nhất định vào đó. Sau một thời gian, khi toàn bộ vật chứa trong bình K đạt đến cùng nhiệt độ, chúng ta bắt đầu lấy quả bóng Ш ra và đẩy không khí từ nó vào bình B và B’. Nó đi vào phần trên của bình và ấn vào chất lỏng với lực áp suất bằng nhau. Dưới áp suất không khí, chất lỏng bị đẩy ra khỏi bình một phần và đi vào cốc qua các ống thẳng.

Kinh nghiệm cho thấy, thể tích V của chất lỏng chảy qua một ống có tiết diện không đổi trong khoảng thời gian t càng lớn thì độ dày của chất lỏng càng thấp, nghĩa là

$$\frac{V}{\tau} = \frac{A}{\eta},$$

trong đó hệ số A phụ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm, bao gồm sự truyền áp suất và các thông số ống (chi tiết hơn về điều này sẽ được thảo luận trong Phụ lục của trạng thái). Nếu ống 2 và 2’ giống hệt nhau thì tỉ số thể tích của chất lỏng chiếm chỗ sẽ bằng tỉ số nghịch đảo thể tích của chúng:

$$\frac{V}{V'} = \frac{\eta'}{\eta}$$

(xét cho cùng, tất cả các điều kiện cho dòng chảy của cả hai chất lỏng đều giống nhau). Từ đây, biết độ dày η của một chất lỏng đã biết và đo thể tích V và V’ trong phép thử, dễ dàng tìm được độ dày của chất lỏng đang nghiên cứu:

$$\eta' = \eta \frac{V}{V'}$$.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu không thể đảm bảo danh tính của ống 2 và 2’ (thực tế là không thể thực hiện việc này ở nhà)? Khó khăn này có thể được khắc phục bằng cách thay đổi một chút phương pháp thử nghiệm.

Chúng ta hãy thực hiện thí nghiệm hai lần: lần đầu tiên như mô tả ở trên, sau đó