Die vorliegende Arbeit entstand als Ausarbeitung eines physikalischen Praktikums im ersten Semester Physik. Sie versucht zwei Verfahren zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten zu vergleichen.
Inhaltsverzeichnis
1. Physikalische Grundlagen
1.1. Auftriebskraft und hydrostatischer Druck
1.2. Innere Reibung
1.3. Dynamische Viskosität
1.4. Laminare und turbulente Strömung, Reynoldsche Zahl
1.5. Hagen-Poiseuillesches Gesetz
1.6. Stokesches Gesetz
1.6.1. Ladenburg-Korrektur
2. Versuchsdurchführung und Messwertermittlung
2.1. Ermittlung der dynamischen Viskosität nach Hagen-Poiseuille
2.1.1. Versuchsaufbau
2.1.2. Messung
2.1.2.1. der Kapillarradien und -längen
2.1.2.2. des Gefässvolumens
2.1.2.3. der Höhe der Flüssigkeitsoberfläche
2.1.2.4. der Durchlaufzeiten
2.1.3. Auswertung
2.1.4. Fehlerrechnung
2.1.5. Überprüfung des r4-Gesetzes
2.2. Ermittlung der dynamischen Viskosität nach Stokes
2.2.1. Versuchsaufbau
2.2.2. Messung
2.2.2.1. des Radius und der Länge des Gefässes
2.2.2.2. des mittleren Gewichts jeder Kugelart
2.2.2.3. der Kugelradien
2.2.2.4. der Fallzeiten
2.2.3. Auswertung
2.2.4. Graph der Viskosität mit und ohne Ladenburg-Korrektur, Extrapolation
2.2.5. Ermittlung der Reynolds-Zahlen und der kritischen Geschwindigkeit
2.2.6. Fehlerrechnung
3. Fazit
3.1. Zusammenfassung
3.1.1. des Versuchs nach Hagen-Poiseuille
3.1.2. des Versuchs nach Stokes
3.2. Verwendete Literatur
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die dynamische Viskosität verschiedener Flüssigkeiten experimentell zu bestimmen, indem zwei klassische physikalische Messmethoden – das Hagen-Poiseuillesche Gesetz sowie das Stokesche Gesetz – angewandt und kritisch evaluiert werden.
- Grundlagen der Strömungsmechanik und inneren Reibung
- Experimentelle Bestimmung der Viskosität von destilliertem Wasser
- Ermittlung der Viskosität von Silikonöl mittels Fallkugeln
- Korrekturverfahren zur Reduzierung von Randeffekten (Ladenburg-Korrektur)
- Fehleranalyse und Validierung der physikalischen Gesetze
Auszug aus dem Buch
1.3. Dynamische Viskosität
Da sich ein Objekt nur dann mit einer konstanten Geschwindigkeit (v) fortbewegen kann, wenn sich alle angreifenden Kräfte aufheben, muss somit eine der Reibungskraft entgegengerichtete Kraft (Fv) wirken. Greift nun diese Kraft Fv an, so bewegt sich die Haftschicht am Objekt (rote Schicht) annähernd mit der Geschwindigkeit v wohingegen die gegenüberliegende Haftschicht in der Distanz d (an der Wand des Gefässes) weiterhin in Ruhe bleibt (grüne Schicht). Die Zwischenplatten bewegen sich mit einer Geschwindigkeit kleiner als v, linear abhängig von ihrer Entfernung zur bewegten Haftschicht.
Da die Reibungskraft mit der Geschwindigkeit v zunimmt, nimmt ebenso Fv mit v zu. Desweiteren wächst Fv abhängig von der Reibefläche A zwischen den Platten direkt proportional. Als letzter Faktor muss die Distanz d zwischen den Haftschichten berücksichtigt werden. Diese geht jedoch indirekt proportional mit ein, da geringere Distanz gleichbedeutend mit weniger Flüssigkeitsschichten ist auf die die Reibung “verteilt“ werden kann, also ergibt sich die Proportionalität: Fv ~ (A * v) / d
Wenn wir hier die dynamische Viskosität η einführen, lässt sich folgende Aussage treffen: Fv = η * (A * v) / d ; [η] = Pa*s
Zusammenfassung der Kapitel
1. Physikalische Grundlagen: Vermittlung der theoretischen Konzepte wie Auftrieb, hydrostatischer Druck und das Strömungsverhalten von viskosen Flüssigkeiten.
2. Versuchsdurchführung und Messwertermittlung: Detaillierte Darstellung des experimentellen Aufbaus, der Datenerhebung zur Bestimmung der Viskosität mittels Kapillaren und Fallkugeln sowie der entsprechenden Fehlerrechnungen.
3. Fazit: Kritische Reflexion der erzielten Ergebnisse im Vergleich zu Literaturwerten sowie Diskussion der Fehlerquellen und möglichen Verbesserungen des Versuchsaufbaus.
Schlüsselwörter
Dynamische Viskosität, Hagen-Poiseuille, Stokes, Ladenburg-Korrektur, Laminare Strömung, Reynolds-Zahl, Innere Reibung, Kapillarradius, Fallkugeln, Viskositätsmessung, Strömungsmechanik, Fehlerrechnung, Grenzschicht, Silikonöl, Destilliertes Wasser.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten anhand der Methoden nach Hagen-Poiseuille und Stokes.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Strömungsmechanik, Viskositätsmessung, Reibungskräfte in Flüssigkeiten und die physikalische Fehleranalyse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die präzise Ermittlung der dynamischen Viskosität von Wasser und Silikonöl und die Validierung der zugrunde liegenden physikalischen Gesetze.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden zwei spezifische physikalische Verfahren genutzt: Die Durchflussmessung durch Kapillaren (Hagen-Poiseuille) und die Fallzeitmessung von Kugeln in einem viskosen Medium (Stokes).
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Gesetze und die praktische Durchführung der Versuche inklusive der notwendigen Korrekturverfahren wie der Ladenburg-Korrektur.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Viskosität, Reynolds-Zahl, Strömungsverhalten und physikalische Messtechnik beschreiben.
Warum wird die Ladenburg-Korrektur angewandt?
Sie dient dazu, die Wechselwirkungen zwischen der Flüssigkeitsströmung und den Gefäßwänden zu kompensieren, da das Stokes-Gesetz idealerweise ein unendlich ausgedehntes Medium voraussetzt.
Welche Bedeutung hat die Reynolds-Zahl in diesem Kontext?
Die Reynolds-Zahl wird genutzt, um zu verifizieren, ob die Strömungsverhältnisse in den Versuchsapparaturen tatsächlich laminar sind, was eine Grundvoraussetzung für die Gültigkeit der angewandten Formeln ist.
- Quote paper
- Mark Wernsdorfer (Author), Michael Held (Author), 2004, Bestimmung der Zähigkeit von Flüssigkeiten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/48152
