background image

 

Ćwiczenie 3 

 

Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy 

 

 

I.

 

Celem  ćwiczenia  jest  wyznaczenie  dynamicznych  współczynników  lepkości  cieczy 

za  pomocą  lepkościomierzy  Höpplera,  w  temperaturze  pokojowej  lub  w  różnych 

temperaturach. 

 

II.

 

Wprowadzenie 

W  przepływie  laminarnym,  w  którym  wektory  prędkości  elementów  płynu  są 

względem  siebie  równoległe,  zgodnie  z  hipotezą  Newtona,  dynamiczny  współczynnik 

lepkości μ jest równy 

 

σ

µ =


v

n

 

 

 

 

 

(3.1) 

gdzie: σ – naprężenie statyczne, 

 

v – prędkość przepływu, 

 


v

n

 - składowa gradientu modułu prędkości w kierunku prostopadłym do 



v

 

W  układzie  SI  podstawową  jednostką  tego  współczynnika  jest  1  Pas  =  1  Ns/m

2

Jest to lepkość płynu, w którym gradientowi prędkości w kierunku prostopadłym do 



v

 

równemu 1 s

-1

 odpowiada naprężenie styczne 1 Pa. 

Kinematyczny  współczynnik  lepkości  ν  jest  równy  ilorazowi  dynamicznego 

współczynnika lepkości płynu μ i jego gęstości ρ

 

µ

ν =

ρ

   

 

 

 

 

(3.2) 

 

W układzie SI podstawową jednostką współczynnika ν jest 1 m

2

/s. Jest to lepkość 

płynu o gęstości 1 kg/m

3

 i dynamicznym współczynniku lepkości równym 1 N/m

2

background image

 

Do 

pomiarów 

lepkości 

cieczy 

służą 

wiskozymetry 

(lepkościomierze), 

wykorzystujące  różne  zjawiska  fizyczne  o  przebiegu  zależnym  od  lepkości.  Są  to 

lepkościomierze  kapilarne,  kulkowe,  rotacyjne,  wibracyjne,  ultradźwiękowe  i  inne. 

Każdy  z  tych  przyrządów  zaopatrzony  jest  w  termostat  stabilizujący  temperaturę  na 

żądanym poziomie. 

W ćwiczeniu wykorzystuje się lepkościomierz kapilarny Englera i lepkościomierz 

kulkowy Höpplera.  

 

III.

 

Zasada pomiaru lepkości wiskozymetrem Höpplera 

Wiskozymetr  Höpplera  należy  do  grupy  wiskozymetrów  wykorzystujących 

prawo  Stokesa,  w  których  pomiar  lepkości  polega  na  określeniu  prędkości  opadania 

kulki  w  badanej  cieczy.  Wzór  Stokesa  obowiązuje  przy  założeniach,  że  obszar  cieczy 

otaczającej  kulkę  jest  nieograniczony,  a  ruch  jest  laminarny  i  ustalony.  Konsekwencją 

tych założeń są następujące ograniczenia: 

-

 

kulka  powinna  być  regularna  i  gładka  oraz  poruszać  się  w  dostatecznej 

odległości od dna i ścian naczynia, 

-

 

ciecz powinna być jednorodna i odpowietrzona, 

-

 

pomiędzy kulką i cieczą nie może występować poślizg. 

Na  kulkę  opadającą  ruchem  jednostajnym  w  cieczy  działają  siły:  ciężkości  Q, 

wyporu hydrostatycznego F

w

 i oporu kuli T. Siły te muszą być w równowadze i spełniać 

warunek: 

w

Q F

T 0

− =

  

 

 

 

 

(3.3) 

gdzie: 

3

k

4

Q

R

g

3

= π ρ

  

3

w

c

4

F

R

g

3

= π ρ

 

T 6

vR

= πµ

 

 

(3.4) 

 

 

We  wzorach    (3.4)  R  oznacza  promień  kulki,  a  ρ

k

  i  ρ

c

  odpowiednio  gęstość 

materiału  kulki  i  cieczy.  Po  wstawieniu  (3.4)  do  równania  (3.3)  i  przekształceniu 

otrzymano wyrażenie opisujące dynamiczny współczynnik lepkości 

(

)

2

k

c

2R

g

9v

ρ − ρ

µ =

   

 

 

 

(3.5) 

background image

 

Wyrażając  prędkość  wzorem 

l

v

t

=

,  gdzie  t  oznacza  czas  przebycia  przez  kulkę  drogi  l, 

równanie (3.5) przyjmuje postać 

(

)

(

)

2

k

c

k

c

2R g

t

C

t

9l

µ =

ρ − ρ

= ρ − ρ

 

 

 

 

(3.6) 

 

 

Rys.3.1. Rozkład sił działających na kulkę w wiskozymetrze Höpplera 

 

 

Z  uwagi  na  to,  że  obszar  płynu  w  wiskozymetrze  Höpplera  jest  ograniczony  ściankami 

rurki  spadowej  (w  efekcie  czego  kulka  doznaje  rotacji),  zaś  rurka  ta  jest  odchylona  od 

pionu  o  kąt  15

o

,  wprowadzono  dodatkowy  współczynnik  poprawkowy  k

1

.  Producenci 

wiskozymetrów  podają  wartość  tego  współczynnika  dla  kul  stosowanych  w  danym 

przyrządzie, a wartość stałych przyrządu oblicza się w następujący sposób: 

2

1

1

2R g

K

k C

k

9l

=

=

 

 

 

 

 

(3.7) 

Ostatecznie wartość dynamicznego współczynnika lepkości cieczy oblicza się ze wzoru: 

(

)

k

c

K

t

µ = ρ −ρ

 

 

 

 

 

(3.8) 

 

 

 

 

 

background image

 

IV.

 

Przebieg ćwiczenia 

Schemat wiskozymetru Höpplera przedstawiono na rys.3.2. Zasadniczą jego częścią 

jest  szklana  rurka  (6),  nachylona  do  pionu  pod  kątem  10

o

.  Rurka  umieszczona  jest  w 

szklanym  naczyniu  cylindrycznym,  który  pełni  rolę  pojemnika  na płynny  nośnik  ciepła 

(9), umożliwiający utrzymanie i pomiar stałej temperatury badanej cieczy. Nośnik ciepła 

może  być  podgrzewany  grzałką  lub  dopływać  do  wiskozymetru  z  ultratermostatu  za 

pomocą  króćców  (10).  Do  kontroli  temperatury  służy  termometr  (15).  Przyrząd 

właściwy ma możliwość obrotu dookoła osi sworznia (14). Do urządzenia załączony jest 

zestaw 6 kulek pomiarowych. 

 

 

 

Rys.3.2. Schemat wiskozymetru Höpplera 

1 – podstawa, 2 – obudowa wiskozymetru, 3 – poziomica, 4 – śruby poziomujące, 5 – śruba 

regulująca kąt  nachylenia wiskozymetru, 6 – rurka szklana, 7 – górna pokrywa, 8 – dolna 

pokrywa, 9 – płaszcz wodny, 10 – króćce podłączenia do ultratermostatu, 11 – nakrętka mocująca 

termometr, 12 – nakrętka, 13 – uszczelka, 14 – przegub 

 

   

 

background image

 

Tab.3.1. Własności kulek będących na wyposażeniu wiskozymetru 

Numer 

kulki 

Średnica 

[mm] 

Masa 

[g] 

Gęstość 
[g/cm

3

Stała kulki 

[mPa·cm

3

/g] 

15,810 

4,606 

2,2260 

0,00761 

15,602 

4,431 

2,2279 

0,09075 

15,557 

16,058 

8,1457 

0,1250 

15,284 

15,191 

8,1262 

0,480 

14,002 

11,010 

7,6600 

6,619 

10,998 

5,431 

7,7957 

34,84 

 

 

 

Sposób wykonania ćwiczenia 

 

1.

 

Przed  przystąpieniem  do  pomiaru  przyrząd  należy  wypoziomować,  badaną  ciecz 

dokładnie przefiltrować i wlać do rurki spadowej. 

2.

 

Odpowiednią kulkę wkłada się do rurki zwracając uwagę na to, aby nie tworzyły się 

na jej powierzchni pęcherzyki powietrza. 

3.

 

Zmierzyć czas opadania kulki między pierścieniami znacznika odległymi od siebie o 

100 [mm] za pomocą stopera, według poniższego schematu 

 

 

Rys.3.3. Metodyka pomiaru czasu opadania kulki w wiskozymetrze Höpplera 

 

background image

 

4.

 

Pomiar  opadania  kulki  w  cieczy  w  danej  temperaturze  wykonać  minimum 

trzykrotnie i powtórzyć dla sześciu różnych temperatur (temperatura nastawiana na 

ultratermostacie, odczyt na termometrze w lepkościomierzu). 

5.

 

Obliczyć lepkość dynamiczną badanej cieczy korzystając z poniższego wzoru: 

(

)

k

c

t

K F

η = ρ −ρ ⋅ ⋅

 

gdzie: η – lepkość dynamiczna [mPas], 

 

t – czas opadania kulki [s], 

 

ρ

k

 – gęstość materiału, z którego wykonana jest kulka [g/cm

3

] – (tab.3.1), 

 

ρ

c

 – gęstość badanej cieczy [g/cm

3

], 

 

K – stała kulki [mPas·cm

3

/g] – (tab.3.1), 

 

F – stała uwzględniająca kąt nachylenia rurki do poziomu (tab.3.2). 

6.

 

Wykreślić krzywą zależności lepkości dynamicznej badanej cieczy od temperatury. 

 

 

Tab.3.2. Wartości współczynnika F dla różnych kątów nachylenia rurki spadowej do poziomu 

Kąt nachylenia rurki spadowej do poziomu 

Wartość współczynnika F 

80

o

 (DIN) 

1,0 

70

o

 

0,952 

60

o

 

0,879 

50

o

 

0,778 

 

 

 

VI.  Bibliografia 

1.

 

Filek  K.,  Roszczynialski  W.,  Wacławik  J.  „Laboratorium  mechaniki  płynów  z 
elementami pomiaroznawstwa”, Wydawnictwo AGH, Kraków 1990. 

 
2.

 

Bohdan  T.,  Charun  H.,  Ewertowska  Z.,  Majka  K.,  Sławecki  J.  „Ćwiczenia 
laboratoryjne  z  mechaniki  płynów”,  Wydawnictwo  Uczelniane  Politechniki 
Koszalińskiej, Koszalin 2001. 

 

3.

 

Biernacki  M.,  Burzyński  K.,  Geringer  J.,  Granatowicz  J.,  Sawicki  J.,  Wołoszyn  E. 
„Laboratorium  z  mechaniki  płynów  i  hydrauliki”,  Wydawnictwa  Politechniki 
Gdańskiej, Gdańsk 1995. 

 

4.

 

Brookfield  Engineering  Laboratories,  INC.  –  BROOKFIELD  KF20  –  Falling  Ball 
Viscometer – Operating Instructions – Manual No. M09-352 

background image

 

Karta pomiaru lepkości dynamicznej cieczy 

 

Imię i nazwisko studenta:  1 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

2 ………………………………………………………………………….……………. 

 

 

 

 

3 ………………………………………………………………….……………………. 

 

 

 

 

4 ……………………………….………………………………………………………. 

Rok studiów: ………………………………………   

Grupa: ……………..………………………………… 

Data: …………………………………………………..   

Godzina: ……………………………………………. 

 

 

Temperatura otoczenia: ……………………...   

Ciśnienie otoczenia: …………………………… 

Numer kulki: …..………………………………….   

Średnica kulki: …………………………………… 

Gęstość materiału kulki: ……………………..   

Stała kulki K: ……………………………………… 

Gęstość badanej cieczy: ………………………   

Stała kąta nachylenia F: ……………………… 

 

 

 

 

Tab.1.1. Zestawienie wyników pomiaru 

Pomiar, nr 

Czas opadania kulki – t

n

 [s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Średni czas opadania kulki w 
danej temperaturze – t [s] 

 

 

 

 

 

 

Temperatura badanej cieczy 
– T [

o

C] 

 

 

 

 

 

 

Lepkość dynamiczna 
badanej cieczy – η [Pas]