Научно-исследовательская работа Сопротивление жидкости

XI конференция НОУ «Интеллект»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Затонская средняя школа

[pic]

От чего зависит

сопротивление жидкости?

научно-исследовательская работа по физике

Работу выполнил: Матвеев Савелий,

ученик 7-Б класса

Руководитель: Шерстобитова О.В.,

учитель физики

ППК, 2016

Содержание

Введение …………………………………………………………..3

Теоретическая часть………………………………………………4

1. Внутреннее трение жидкости……………………………..4

2. Ламинарное и турбулентное движение…………………..5

3. Сопротивление при движении тела в воде……………….6

Практическая часть………………………………………………..8

1. Наблюдение явления обтекания тел разной формы……...8

2. Движение тела в жидкости…………………………………9

Заключение…………………………………………………………13

Список использованных источников и литература ……………..14

Приложение …………………………………………...…………...15

Введение

Благодаря силе трения люди, животные, машины и другие движущиеся средства могут перемещаться по твердой поверхности. Чтобы уменьшить силу трения между трущимися поверхностями частей различных механизмов, используют жидкую смазку (машинное масло, солидол и др.).

А существует ли сила трения в жидкости? Чем она вызвана? От чего зависит ее величина? Эти вопросы заинтересовали меня. Ведь я живу на берегу прекрасной реки Волги и часто вижу плывущие по реке лодки, пароходы, но я никогда не задумывался, почему им придают именно такую форму. Каждое лето мы с друзьями много плаваем и убедились на практике, что ласты позволяют увеличить скорость в воде. Почему?

В интернете я нашел много различного материала о движении жидкости, о ее вязкости, о движении тел в жидкости. Узнал, что наука о движении жидкости называется гидромеханика. Я решил провести исследовательскую работу по теме «От чего зависит сопротивление жидкости?», где объектом исследования станут различные жидкости, а предметом исследования выявление зависимости сопротивления жидкости от различных факторов (от рода вещества, плотности и температуры жидкости, формы и скорости движения тела в жидкости).

Цель работы: выяснить, как создается и от чего зависит сопротивление жидкости.

Задачи:

1. Познакомиться с теорией, связанной с движением жидкости и движением тел внутри жидкости.

2. Проанализировать и отобрать материал, необходимый для моей исследовательской работы.

3. Провести экспериментальную работу по выяснению от чего зависит сопротивление жидкости.

При выполнении исследовательской работы я применял следующие методы

• теоретические методы: анализ, синтез;

• эмпирические методы: эксперимент, наблюдение, сравнение;

• математические методы: статистические, визуализация.

Теоретическая часть

1. Внутреннее трение жидкости

Любые жидкости состоят из молекул, которые непрерывно и хаотически движутся и взаимодействуют между собой. В реальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения молекул имеет место внутреннее трение, или вязкость. Рассмотрим это явление подробнее.

[pic]

Рис. Течение вязкой жидкости между пластинами

Рассмотрим слой жидкости между двумя параллельными твердыми пластинами. Пусть «нижняя» пластина закреплена. Если двигать «верхнюю» пластину с постоянной скоростью v1, то c такой же скоростью будет двигаться самый «верхний» 1-й слой жидкости, который считаем «прилипшим» к верхней пластине. Этот слой влияет на нижележащий непосредственно под ним 2-й слой, заставляя его двигаться со скоростью v2, причем v2 < v1. Каждый слой передает движение нижележащему слою с меньшей скоростью. Слой, непосредственно «прилипший» к «нижней» пластине, останется неподвижным.

Слои взаимодействуют друг с другом: каждый слой ускоряет слой расположенный ниже, но замедляет слой расположенный выше. Таким образом, наблюдается изменение скорости течения жидкости в направлении, перпендикулярном поверхности слоя (вдоль оси х). Такое изменение называют градиентом скорости.

Силы, действующие между слоями и направленные по касательной к поверхности слоев, называются силами внутреннего трения или вязкости. Вязкость проявляется в том, что любой слой газа или жидкости, движущийся относительно соседнего, испытывает действие некоторой тормозящей силы. Эти силы пропорциональны площади взаимодействующих слоев S и градиенту скорости.

2. Ламинарное и турбулентное движение

В жидкости течение может быть ламинарным или турбулентным.

На рисунке это показано для одной окрашенной струи жидкости, текущей в другой. [pic]

В случае (а) струя окрашенной жидкости сохраняет неизменную форму и не смешивается с остальной жидкостью. Это ламинарное течение струи жидкости. В случае (б) окрашенная струя создает различные завихрения, картина которых постоянно меняется с течением времени. Это турбулентное течение струи жидкости.

Ламинарное (слоистое) течение – это такое течение, при котором слои жидкости текут, не перемешиваясь, скользя друг относительно друга. Ламинарное течение является стационарным, т.е. скорость течения в каждой точке пространства остается постоянной.

Турбулентное (вихревое) течение – это такое течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются. Турбулентное течение - это хаотическое, крайне нерегулярное, неупорядоченное течение жидкости. Элементы жидкости совершают движение по сложным неупорядоченным траекториям, что приводит к перемешиванию слоев и образованию местных завихрений. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости: часть энергии расходуется на беспорядочное движение, направление которого отличается от основного направления потока.

Понятия ламинарности и турбулентности применимы как к течению жидкости по трубам, так и к обтеканию ею различных тел. В обоих случаях характер течения зависит от скорости течения, свойств жидкости и характерного линейного размера трубы или обтекаемого тела.

3. Сопротивление при движении тела в воде

При движении тела в воде возникает лобовое, или общее, сопротивление, которое включает в себя: сопротивление формы Rf, сопротивление трения Rт и сопротивление волнообразования Rv.

Наибольшее сопротивление в воде возникает при движении пластины плоскостью вперед. При движении пластины плоскостью вперед перед ней возникает повышенное давление воды, а за плоскостью пластины вода находится в разреженном состоянии. Разность давлений спереди пластины и сзади, а также энергия, расходуемая на образование вихревых потоков, будут определять величину сопротивления. [pic]

Величину сопротивления можно уменьшить, если улучшить условия обтекания пластины. Поместив перед ней полусферу, сопротивление можно снизить за счет уменьшения давления воды перед ней. Если полусферу поместить за пластиной, то сопротивления будет еще меньше за счет уменьшения вихреобразования за пластиной. При двух полусферах или при форме цилиндра сопротивление пластины станет меньше, чем пластины без полусфер в 2,2 раза. Наименьшим сопротивлением обладают формы с овальной передней поверхностью и плавно уменьшающимся диаметром задней поверхности тела.

Поэтому лодкам и кораблям придают обтекаемую форму. Такая форма обеспечивает безотрывное огибание тела струями воды и воздуха.

Для тел с обтекаемой формой сопротивление движению тела минимально.

Сопротивление формы очень важно при технике плавания, так как на его долю приходится около 70 % общего сопротивления. Несмотря на то, что тело пловца с точки зрения гидромеханики относится к телам неправильной формы, при определенных положениях туловища и конечностей можно получить благоприятные условия для уменьшения сопротивления. Проведенные учеными исследования показали, что наименьшее сопротивление движению наблюдается тогда, когда тело пловца занимает горизонтальное положение с вытянутыми вперед руками ладонями внутрь и касающимися друг друга. Разведение рук до ширины плеч увеличивает силу сопротивления на 10 %; скольжение, при котором руки располагаются вдоль тела и прижаты к туловищу, увеличивает силу сопротивления на 20 %. [pic]

Разница сопротивления пластины и цилиндра указывает на то, что кисть со сжатыми пальцами имеет большее сопротивление, чем кисть с разведенными пальцами, когда только половина плоскости кисти - ее ладонь — имеет сопротивление пластины, а вторая ее половина — пальцы — работают как цилиндры. Поэтому пловцы, не обладающие достаточной силой гребковых мышц, часто выполняют гребок с разведенными пальцами, и, наоборот, у физически подготовленных пловцов вся кисть имеет форму пластины. [pic]

Особая конструкция лап водоплавающих птиц позволяет им сильнее отталкиваться от воды во время плавания. Передние пальцы (обычно они длинные) соединены друг с другом прочными кожными перепонками. Когда птица отводит ногу назад, лапа действует как весло. С силой отталкиваясь лапами, птица устремляется вперед. С увеличением поверхности, участвующей в гребке, значительно возрастает мощность толчка, а, следовательно, и скорость плавания. Ноги без перепонок справились бы с этой задачей куда хуже..

Силы сопротивления очень зависят не только от формы, но и от скорости тела и возрастают при увеличении скорости его движения относительно среды. Если тело не движется относительно среды, то сила сопротивления равна нулю. Зависит сила сопротивления и от качества поверхности тела. Именно этим объясняется, что пловцы всё чаще выступают в специальных костюмах, снижающих силу сопротивления.

Сопротивление волнообразования зависит от скорости движения тела, его удельного веса и вида движения (поступательное или вращательное). Доля волнового сопротивления от общего сопротивления может составлять до 20 %.

Вывод. Любое тело, перемещаясь в жидкости, испытывает силу сопротивления. Эта сила зависит от формы тела, качества его поверхности, скорости и вида его движения, физических характеристик жидкости.

Практическая часть

1. Наблюдение явления обтекания тел разной формы

Цель эксперимента: убедиться на опыте, что степень завихрения жидкости, а, следовательно, и сопротивление зависит от формы тела.

Для проведения эксперимента я использовал прибор для демонстрации явления обтекания тел разной формы (Приложение 1).

Прибор состоит из металлической ванны, в дно которой вмонтировано стекло. В ванну вставлены две продольные перегородки и четыре пары направляющих дуг. Между стенками ванны и перегородками находятся два колеса с лопатками, насаженные на одну ось. Колеса можно вращать с помощью ручки.

На стеклянное дно ванны я устанавливал тела разной формы и наливал жидкость на 0,5 – 1 мм выше тела. Жидкость представляла собой слабый раствор медного купороса в который был добавлен раствор едкого калия . В результате реакции этих веществ выпадает мелкий осадок в виде небольших хлопьев, который позволяет видеть четкую картину движущейся жидкости.

Явление обтекания зависит от относительной разности скоростей жидкости и находящегося в ней тела. Поэтому не важно: движется тело относительно покоящейся жидкости или движется жидкость с соответствующей скоростью относительно покоящегося тела.

При вращении колес с лопатками жидкость приходит в движение. По движению осадка я наблюдал за линиями движения жидкости.

[pic] [pic] [pic] [pic]

Больше всего завихрений образуется за параллелепипедом, меньше всего – за обтекаемым телом, если оно расположено овальной поверхностью вперед и плавно уменьшающимся диаметром поверхности тела назад.

При увеличении скорости жидкости число завихрений увеличивалось, значит увеличивалось сопротивление.

Вывод. В процессе проведения опыта я наблюдал, что несмотря на равные лобовые площади, степень завихрения жидкости, а, следовательно, и сопротивления различны и зависят от формы тела, а так же от скорости движения жидкости.

2. Движение тела в жидкости

Цель эксперимента: опытным путем установить от чего зависит скорость движения, а следовательно, и сопротивление тела в жидкости

Для проведения эксперимента я использовал цилиндрический стеклянный сосуд высотой 24 см, пластмассовый шарик диаметром 7,5 мм, линейку, секундомер, термометр, весы, набор разновесов, различные жидкости.

Для проведения опытов я использовал жидкости: водопроводную воду, растительное масло, раствор поваренной соли и сахара в воде. Для проведения исследований мне нужна была плотность жидкостей. [pic]

Опыт 1. Определение плотности жидкости ρ.

ρ=m/V, где массу жидкости m я измерил на рычажных весах, а объем V с помощью измерительного цилиндра.

Исследуемую жидкость я наливал в пузырек объемом 15 см³. Результаты измерений и вычислений оформил в виде таблицы.

Вывод: Все жидкости имеют разные плотности. Сладкая вода 2 имеет большую плотность, чем сладкая вода 1, т.к. концентрация сахарного песка в ней больше.

Опыт 2. Исследование зависимости скорости движения шарика от рода жидкости

На шарик, движущийся в жидкости действуют три силы:

• сила тяжести F=mg, направленная вниз;

• выталкивающая сила (cила Архимеда) F=gρжV, направленная вверх;

• сила вязкого трения, (cила Стокса). Эта сила также направлена вверх и для шарика в безграничной жидкости определяется по формуле F=3πdυη,

где d – диаметр шарика, η – коэффициент внутреннего трения, υ – скорость движения шарика. Формула Стокса справедлива только для маленьких шариков, движущихся с небольшой скоростью.

При движении шарика выталкивающая сила и сила тяжести все время остаются постоянными, а сила трения в начале движения шарика в жидкости сначала возрастает, так как увеличивается скорость движения шарика. Через некоторое время наступает такой момент, что направленные вверх сила трения и выталкивающая сила уравновесят направленную вниз силу тяжести. Тогда векторная сумма сил, действующих на шарик, будет равна нулю. Скорость шарика при дальнейшем движении будет оставаться неизменной.

Для проведения опыта я собрал следующую установку: в шативе с помощью лапки закрепил линейку для определения расстояния, пройденного шариком равномерно. В цилиндрический стеклянный сосуд наливал испытуемые жидкости, осторожно опускал в них шарик и с помощью секундомера измерял время равномерного движения шарика до дна сосуда. Доставал шарик из стеклянного цилиндра специальным крючком. [pic] [pic] [pic]

Зная путь s, пройденный шариком, время движения t, я определил среднюю скорость движения υ шарика по формуле υ= s/t.

Для получения более точного результата для каждой жидкости я проделывал по пять опытов и брал среднее значение времени.

Результаты измерений и вычислений даны в таблице:

яние, м

Жидкость

Плотность

жидкости,

кг/м³

№

опыта

Время, с

Среднее

время

Средняя

скорость,

м/с

0,2

№1

Водопроводная

вода

1000

1

1,15

1,05

0,19

2

1,12

3

0,91

4

1,12

5

0,94

№2

Соленая вода

1167

1

2,97

2,92

0,07

2

3,06

3

3,03

4

2,63

5

2,91

№3

Сладкая вода 1

1067

1

1,72

1,66

0,12

2

1,6

3

1,6

4

1,62

5

1,75

№4

Сладкая вода 2

1200

1

9,06

8,4

0,02

2

8,1

3

8,03

4

8,22

5

8,59

№5

Растительное масло

930

1

5,44

5,85

0,03

2

5,63

3

6

4

5,94

5

6,15

Самая большая скорость шарика была в чистой водопроводной воде, а самой маленькой в сладкой воде 2.

По результатам опытов, я построил следующие диаграммы:

Вывод: скорость движения шарика в жидкости а, следовательно, и сопротивление жидкости, зависит не только от ее плотности, но и от рода жидкости.

Опыт 3. Исследование зависимости скорости движения шарика от температуры жидкости

Для проведения опыта я взял сладкую воду 2. Определил среднюю скорость движения шарика в ней для двух случаев:

• при температуре 20^оС

• при температуре 47 ^оС

Результаты измерений и вычислений даны в таблице.

Вывод: скорость движения шарика в жидкости а, следовательно, и сопротивление жидкости, зависит от ее температуры: чем выше температура жидкости, тем больше скорость движения шарика, а, следовательно, сопротивление жидкости меньше.

[link]

В.Ильичев, аспирант лаборатории орнитологии МГУ, Журнал «Охота и охотничье хозяйство», №10, 1960

Приложение 1

[pic]