Reibung in Flüssigkeiten / Viskosität

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen

3. Qualitative Abhängigkeit der Reibungskraft
3.1. von der Geschwindigkeit
3.2. von der Art der Flüssigkeit
3.3. von der Form des Körpers
3.4. Zusammenfassung

4. Das Stokessche Gesetz
4.1. Versuch der Bestätigung des Stokesschen Gesetzes durch Geschwindigkeitsmessung
4.2. Anwendungen
4.2.1. Kugelfallmethode / Viskositätsbestimmung
4.2.2. Milikan-Versuch
4.2.3. Sedimentation (Blutsenkung)

5. Quellen

1. Einleitung

Ein in Bewegung gesetzter Körper verliert allmählich seine kinetische Energie und befindet sich nach einer bestimmten Zeit in Ruhe. Doch wohin ist seine Energie „verschwunden“?

In der Mechanik wird sie normalerweise durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Im Physikunterricht wird aber aufgrund des einfacheren Rechnens bei solchen Betrachtungen oft von einem Modell ausgegangen, welches keine Reibung erfährt oder bei welchem Reibungseffekte zu vernachlässigen sind – Das Modell ist also ideal.

Wie schon die Bezeichnung „ideal“ vermuten lässt, stimmt es mit der Wirklichkeit, dem Realen, nicht überein; denn es treten überall da, wo eine Bewegung abläuft, auch Reibungskräfte auf: sowohl im normalen Alltag, wenn man seine Hände aneinander reibt und sie dadurch warm werden, als auch in der Forschung, wenn beispielsweise das Space Shuttle der NASA wieder in die Erdatmosphäre eindringt und durch die enorme Wärme teilweise zu glühen beginnt.

Analog zu den eben genannten Beispielen entsteht auch bei einer Bewegung in einer (realen) Flüssigkeit Reibung, die im Folgenden im Mittelpunkt stehen soll.

2. Grundlagen

Hervorgerufen wird Reibung und die daraus resultierende Reibungskraft durch die Wechselwirkung einzelner Moleküle miteinander. Taucht ein fester Körper in ein fluides Medium ein, so bildet sich an seiner Oberfläche aufgrund von Adhäsion eine dünne Grenzschicht von Flüssigkeitsmolekülen. Da sich der Körper und mit ihm auch die Grenzschicht in Bewegung befinden und somit eine Geschwindigkeitsdifferenz zu den restlichen Flüssigkeitsmolekülen auftritt, reibt Flüssigkeitsschicht an Flüssigkeitsschicht und aufgrund dieser Wechselwirkung entsteht die innere Reibung. Diese wird also zwischen Flüssigkeitsschichten verschiedener Geschwindigkeiten beobachtet, während die äußere Reibung zwischen den Grenzflächen zweier Körper auftritt.

Bei der Bewegung eines festen Körpers kann man zwei unterschiedliche Strömungsformen erkennen. Zum einen handelt es sich um die laminare Strömung, bei der sich die Flüssigkeitsschichten parallel geordnet nebeneinander bewegen.

Das Gegenstück hierzu bildet die turbulente Strömung, bei der die Stromlinien ein wirbelförmiges Muster bilden. Hervorgerufen wird dies meist durch eine hohe Geschwindigkeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Umschlag einer laminaren Strömung [a] zu einer turbulenten Strömung [d] ) [5]

Aufgrund der Verwirblungen entsteht eine weitere Kraft, der Strömungswiderstand, welcher der Bewegung entgegenwirkt. Deshalb wird im folgenden, vor allem aber bei den Berechnungen mit dem Stokesschen Gesetzes, davon ausgegangen, dass es sich um eine laminare Strömung handelt.

3. Qualitative Abhängigkeit der Reibungskraft

Versuchsaufbau:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In einem mit einer Flüssigkeit gefülltem Gefäß wird in der Mitte ein Körper an einem Kraftmesser innerhalb der Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit um die Strecke 6s nach oben gezogen und die Kraft gemessen.

Annahme: Kräftegleichgewicht (→ konstante Geschwindigkeit)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Kraftmesser wird, wenn der Körper noch in der Flüssigkeit schwebt, so justiert, dass er den Betrag 0 anzeigt; er gleicht somit die Differenz aus Auftriebskraft und Gewichtskraft durch die Kraft FSchwebe aus, die den Körper im Schwebezustand lässt. Dadurch kann bei der Bewegung, nachdem sich das Kräftegleichgewicht wieder eingestellt, welches durch die Beschleunigung kurzzeitig nicht vorhanden war, sofort der Betrag der Reibungskraft Fr abgelesen werden.

3.1. Abhängigkeit der Reibungskraft von der Geschwindigkeit

Versuchsdurchführung:

In diesem Versuch wird ein Würfel mit unterschiedlichen, jedoch immer konstanten Geschwindigkeiten in Olivenöl um 6s nach oben gezogen und die angezeigte Kraft abgelesen. Durch die Strecke 6s und die dafür benö- tigte Zeit wird die Geschwindigkeit des Körpers berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Alle Werte liegen ungefähr auf einer Ursprungsgeraden.

→F ~ v