ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI
SPRAWOZDANIE
Temat: Pomiar współczynnika lepkości za pomocą wiskozymetru Ostwalda. Wyznaczanie bezwzględnego współczynnika lepkości metodą Stokesa.
1) Prawo Stokesa - prawo określające siłę oporu ciała w kształcie kuli poruszającego się w płynie (cieczy lub gazie).
Prawo wyraża się wzorem:
gdzie:
- siła oporu,
η - lepkość dynamiczna płynu,
- prędkość ciała względem płynu.
2) Prawo Archimedesa - na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi wypartej przez to ciało cieczy.
Q = Vρg (ciężar ciała),
gdzie:
ρ - gęstość ciała.
W = Vρ0g (siła wyporu),
gdzie:
ρ0 - gęstość cieczy.
R = W - Q (siła wypadkowa)
ρ > ρ0 ; R < 0 ciało tonie;
ρ = ρ0; R = 0 ciało pływa na dowolnej głębokości;
ρ < ρ0; R > 0 ciało pływa częściowo zanurzone.
3) Prawo Poiseuille'a - objętość cieczy V przepływająca w czasie t przez kapilarę o promieniu R i długości l pod wpływem różnicy ciśnień Δp wynosi:
gdzie:
η - lepkość dynamiczna płynu.
4) Oddziaływania van der Waalsa - oddziaływanie międzycząsteczkowe uniwersalne, ma charakter elektryczny. Mogą tu występować 3 rodzaje sił:
- siły dipolowe;
- siły indukcyjne;
- siły dyspersyjne.
5)Zjawisko lepkości - zjawisko tarcia wewnętrznego - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Współczynniki lepkości:
a) Dynamiczny współczynnik lepkości (η) - równa się liczbowo sile tarcia wewnętrznego przyłożonej do jednostki powierzchni warstwy płynącej cieczy przy jednostkowym spadku prędkości.
η=
gdzie:
F - siła tarcia
- zmiana prędkości ruchu warstw na jednostkę długości wewnętrznej normalnej do powierzchni warstwy.
b) Kinematyczny współczynnik lepkości (ν) - stosunek dynamicznego współczynnika lepkości danej cieczy do jej gęstości (ρ)
jednostka: [m2/s]
V=
c) Względny dynamiczny współczynnik lepkości (ηwz) - iloraz dynamicznego współczynnika lepkości ηc danej cieczy i współczynnika lepkości cieczy porównawczej η0
ηwz =
d) Względny kinematyczny współczynnik lepkości (νwz) - iloraz kinematycznego współczynnika lepkości νc danej cieczy i współczynnika lepkości cieczy porównawczej ν0
νwz= νc/ ν0
e) Właściwy współczynnik lepkości:
ηwz=
-1
6) Przepływ laminarny (warstwowy) - przepływ stanowi zespół warstw przemieszczających się jedna względem drugiej bez ich mieszania (wirów). Przepływ tego typu występuje przy małych prędkościach przepływu płynu lub dla płynu o dużej lepkości. Bezwymiarowym parametrem decydującym o laminarności lub o obecności turbulencji jest Liczba Reynoldsa.
7) Przepływ turbulentny (wirowy) - w płynie występuje mieszanie, powstają wiry - stąd też określenie przepływu turbulentnego, który ze swej natury jest zmienny w czasie. Prędkość przestaje wtedy być prostą funkcją położenia.
8) Równanie ciągłości strugi - jest oparte na bilansie masy, zakłada, że ilość masy cieczy dopływającej i odpływającej jest równa:
ρ - gęstość cieczy;
V - prędkość przepływu płynu;
A - pole przekroju poprzecznego rurociągu.
9) Prawo Bernouliego - prawo to określa, że suma ciśnienia słupa cieczy (ρgh), statycznego (p) i dynamicznego związanego z ruchem cieczy (ρv2/2) w każdym miejscu przewodu jest stała i równa się ciśnieniu całkowitemu, jakie panuje w strumieniu płynącej cieczy:
ρgh + ρv2/2 + p = const [Pa]
gdzie:
p - ciśnienie statyczne,
½ρv2 - ciśnienie dynamiczne,
ρgh - ciśnienie hydrostatyczne.
Suma energii kinetycznej, potencjalnej i ciśnienia jednostki masy (lub objętości) ustalonego przepływu cieczy doskonałej jest wielkością stałą.
10) Płyny newtonowskie (doskonale lepkie) - jest to znaczna część płynów, np. woda, gazy w tym i powietrze. Dla płynów newtonowskich lepkość zależy od własności substancji tworzącej płyn i jego parametrów termodynamicznych takich jak temperatura i ciśnienie.
11) Płyn nienewtonowski − każdy płyn, który nie spełnia hydrodynamicznego prawa Newtona. W przeciwieństwie do płynu newtonowskiego, lepkość płynów nienewtonowskich nie jest wartością stałą w warunkach izobarycznych, lecz jej wartość zmienia się w czasie.
12) Lepkość krwi zależy w głównej mierze od:
- hematokrytu (stosunku objętości krwinek w danej objętości krwi do objętości tej krwi), powyżej 60% lepkość krwi wzrasta znacznie;
- temperatury - lepkość w 0oC jest około 2,5 raza większa niż w 37oC;
- przekroju naczynia, w którym ta krew płynie - dla naczyń o średnicy mniejszej niż 0,3mm lepkość zmniejsza się w miarę zmniejszania pola przekroju naczynia; dla naczyń o średnicy większej niż 0,3mm - lepkość nie zależy od przekroju;
- szybkości przepływu.
13) Wyznaczanie bezwzględnego współczynnika lepkości metodą Stokesa [Pa*s]
η=[2r2g(ρk-ρc)t]/(9L)
r - promień kulki;
g - przyspieszenie ziemskie;
ρk - gęstośc kulki;
ρc - gęstośc cieczy;
t - czas opadania kulki na odcinku L.
14) Wyznaczanie względnego współczynnika lepkości metodą Ostwalda
ηwz = (ρctc)/ (ρwtw)
ρw - gęstośc wody destylowanej;
ρc - gęstośc cieczy;
tc - czas przepływu cieczy przez kapilarę;
tw - czas przepływu wody destylowanej przez kapilarę.
15) Równanie Newtona dla płynięcia cieczy - siła lepkości jest wprost proporcjonalna do wyrażenia dv/dh (gradient prędkości/spadek prędkości) i pola powierzchni S, na ktorą stycznie działa siła.
F= η( dv/dh )S [N]
Wyznaczanie współczynnika lepkości - metoda Stokesa
Nr pomiaru |
r |
t |
L |
v |
η |
ηśr |
|
|
|
|
|
|
|
Wyznaczanie współczynnika lepkości - metoda Ostwalda
Nr pomiaru |
tw |
twśr |
tc |
tcśr |
ρc |
η |
ηc |
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|