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Die Viskosität wird definiert als das Maß des Widerstandes einer Flüssigkeit gegen einen Fluss. Denke an Wasser und Sirup. Wasser fließt relativ frei, während Sirup weniger flüssig ist. Weil Sirup dem Fluss eher widersteht, hat er eine höhere Viskosität als Wasser. Es gibt eine Reihe von Methoden, um die Viskosität zu messen, die am wenigsten komplizierte ist aber wohl einen Ball in einen Behälter mit der Flüssigkeit fallen zu lassen, deren Viskosität du ermitteln willst. Das funktioniert aber nur, wenn die Kugel klein genug ist, dass der Fluss um den Ball wirklich dickflüssig ist und nicht aufgewühlt. Die Kugel muss auch kleiner sein als der Behälter, damit sie mindestens 10 Radien der Kugel von den Seitenwänden entfernt hineingeworfen werden kann.
Vorgehensweise
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Definiere Viskosität. Mit der Viskosität misst man den Widerstand einer Flüssigkeit gegen einen Fluss. [1] X Forschungsquelle Eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität fließt sehr langsam, wie Honig. Eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität fließt schnell, wie Wasser. Die Einheit der Viskosität sind Paskalsekunden (Pa s). [2] X Forschungsquelle
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Definiere die Gleichung für Viskosität. In diesem Experiment werden Messungen zu einer Kugel und ihrem Durchfluss durch eine Flüssigkeit gemessen, um die Viskosität zu berechnen. Die Gleichung für Viskosität lautet [2(p s -p l )ga 2 ]/9v wobei p s die Dichte der Kugel ist, p l die Dichte der Flüssigkeit, g die Beschleunigung infolge der Schwerkraft, a der Radius der Kugel und v die Geschwindigkeit der Kugel. [3] X Forschungsquelle
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Verstehe die Variablen in der Gleichung für die Viskosität. Dichte ist die Masse pro Volumeneinheit eines Gegenstandes und wird mit einem p bezeichnet. In dieser Gleichung musst du die Dichte sowohl der Kugel, p s , als auch der Flüssigkeit, p l , feststellen, durch die sie geht. Den Radius der Kugel, a , kann man herausfinden, indem man den Umfang der Kugel misst und ihn durch 2π teilt. Die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, g , ist eine Konstante, die von der Atmosphäre des Planeten abhängt, auf dem du dich befindest. In diesem Fall sind wir auf der Erde, also ist g 9,8 m/s 2 . [4] X Forschungsquelle Die Geschwindigkeit der Kugel, v , wird während des Experimentes berechnet und sie ist die Zeit, die ein Gegenstand braucht, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen, in Metern pro Sekunde (m/s).Werbeanzeige
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Besorge die notwendigen Materialien für das Experiment. Um die Viskosität einer Flüssigkeit zu berechnen, brauchst du eine Kugel, einen Messzylinder, ein Lineal, eine Stoppuhr, die betreffende Flüssigkeit, eine Waage und einen Taschenrechner. [5] X Forschungsquelle Dieses Experiment besteht aus vielen Schritten, wenn du dich richtig an sie hältst ermöglichen sie dir aber, die Viskosität jeder Flüssigkeit zu berechnen.
- Die Kugel kann eine kleine Murmel oder eine Stahlkugel sein. Vergewissere dich, dass ihr Durchmesser nicht größer ist als die Hälfte des Durchmessers des Messzylinders, sodass sie leicht in den Zylinder fallen gelassen werden kann.
- Ein Messzylinder ist ein Plastikbehälter, der abgestufte Markierungen an der Seite hat, mit denen du Volumen messen kannst.
- Du kannst eine Uhr anstelle einer Stoppuhr verwenden, deine Messungen werden mit einer Stoppuhr aber genauer sein.
- Die Flüssigkeit muss klar genug sein dass du sehen kannst, ob die Murmel durch die Flüssigkeit gefallen ist. Probiere aus, verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten zu testen, um zu sehen ob sich ihre Viskosität unterscheidet.
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Berechne die Dichte der gewählten Kugel. Es werden die Dichte obwohl der Kugel als auch der Flüssigkeit benötigt, um die Berechnung der Viskosität durchzuführen. Die Formel für die Dichte ist , wobei d die Dichte ist, m die Masse des Gegenstandes und v das Volumen des Gegenstandes.
- Die Masse misst du, indem du die Kugel auf eine Waage legst. Notiere die Masse in Gramm (g).
- Ermittle das Volumen einer Kugel mit der Formel V= (4/3) x π x r 3 , wobei V das Volumen ist, π die Konstante 3,14 und r der Radius der Kugel. Du kannst den Radius finden , indem du rund um die Mitte der Kugel misst, um ihren Umfang zu bekommen, und diesen dann durch 2π teilst.
- Du kannst das Volumen auch herausfinden, indem du die Verdrängung von Wasser in einem Messzylinder misst. Notiere dir den anfänglichen Wasserstand, lege die Kugel in das Wasser und notiere dir den neuen Wasserstand. Subtrahiere den anfänglichen vom neuen Wasserstand. Diese Zahl entspricht dem Volumen deiner Kugel in Millimeter (ml).
- Berechne die Dichte mit der Formel . Die Einheit für die Dichte ist g/ml.
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Stelle die Dichte der Flüssigkeit fest, die du misst. Mit derselben Formel für die Dichte wie oben berechnest du als nächstes die Dichte der betreffenden Flüssigkeit.
- Miss zunächst die Masse der Flüssigkeit, indem du den leeren Messzylinder wiegst. Schütte die Flüssigkeit in den Messzylinder und wiege ihn dann erneut. Subtrahiere die Masse des leeren Zylinders von der des Zylinders mit der Flüssigkeit, um die Masse der Flüssigkeit in Gramm (g) zu erhalten.
- Um das Volumen der Flüssigkeit zu bestimmen, stellst du einfach die Menge der Flüssigkeit fest, die du in den Messzylinder geschüttet hast, indem du dir die gestuften Markierungen an der Seite des Zylinders ansiehst. Notiere das Volumen in Milliliter (ml).
- Verwende die Formel und deine Messungen, um die Dichte der Flüssigkeit in g/ml zu berechnen.
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Fülle den Messzylinder mit der Flüssigkeit, die gemessen werden soll, und markiere Stellen oben und unten am Zylinder. Schütte die Flüssigkeit in dem Experiment langsam in den Messzylinder und fülle ihn ungefähr zur Hälfte oder zu drei Vierteln der Höhe.
- Zeichne eine Markierung oben auf dem Zylinder, ungefähr 2,5 cm vom oberen Rand der Flüssigkeit.
- Zeichne eine zweite Markierung ungefähr 2,5 cm von der Unterseite des Messzylinders.
- Miss den Abstand zwischen der oberen und der unteren Markierung. Lege die untere Seite eines Lineals auf die untere Markierung und miss den Abstand bis zur oberen Markierung.
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Zeichne die Zeit auf, die es dauert, bis die Kugel zwischen den Markierungen herabfällt. Lasse die Kugel in die Flüssigkeit fallen und starte die Stoppuhr, wenn die Unterseite der Kugel die Markierung oben am Zylinder erreicht. Wenn die Kugel die untere Markierung erreicht, hältst du die Stoppuhr an.
- Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität sind schwieriger mit dieser Methode zu messen, weil es schwieriger sein wird die Stoppuhr exakt zu starten und anzuhalten.
- Wiederhole diesen Schritt mindestens drei Mal (je öfter du ihn wiederholst, desto präziser wird deine Messung sein) und rechne den Mittelwert der drei Zeiten aus. Um den Mittelwert zu finden addierst du die Zeit aus jedem Versuch und teilst sie durch die Anzahl der Versuche, die du durchgeführt hast.
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Berechne die Geschwindigkeit der Kugel. Die Geschwindigkeit ist ein Maß der Distanz, die zurückgelegt wurde, durch die Zeit, die zum Zurücklegen dieser Distanz benötigt wurde. Die Formel für die Geschwindigkeit lautet , wobei v die Geschwindigkeit ist, d die zurückgelegte Distanz und t die Zeit.
- Setze deine Messungen in die Gleichung ein, um die Geschwindigkeit der Kugel herauszufinden.
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Berechne die Viskosität der Flüssigkeit. Setze die Daten, die du erhalten hast, in die Formel für die Viskosität ein: Viskosität = [2(p s -p l )ga 2 ]/9v , wobei p s die Dichte der Kugel ist, p l die Dichte der Flüssigkeit, g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft (ein festgelegter Wert von 9,8 m/s 2 ), a der Radius der Kugel und v die Geschwindigkeit der Kugel. [6] X Forschungsquelle
- Sagen wir zum Beispiel, die Dichte der Flüssigkeit ist 1,4 g/ml, die Dichte der Kugel ist 5 g/ml, der Radius der Kugel ist 0,002 m und die Geschwindigkeit der Kugel ist 0,05 m/s.
- Wir setzen in die Gleichung ein: Viskosität = [2(5 – 1,4)(9,8)(0,002)^2]/(9 x 0,05) = 0,00062784 Pa s
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Tipps
- Eine Datentabelle zu führen kann dir helfen, die Übersicht über deine Messungen zu behalten, damit du nicht durcheinander kommst.
- Alle Messungen sollten im metrischen System stattfinden.
- Vergiss nicht am Ende der Berechnung die Einheiten anzufügen.
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Warnungen
- Wenn du den Messzylinder mit der Flüssigkeit füllst, solltest du darauf achten nicht zu nah an den oberen Rand zu kommen. Wenn du nicht genug Platz hast, kann die Verdrängung der Flüssigkeit durch die Kugel dazu führen, dass sie überfließt, was deine Berechnungen durcheinanderbringt.
- Die Kugel, die du verwendest, sollte eine höhere Dichte als die Flüssigkeit haben, damit diese Methode funktioniert.
- Wische die Flüssigkeit von der Kugel ab und trockne sie gründlich zwischen den einzelnen Durchgängen, bevor du sie wieder in den Messzylinder wirfst.
- Vergewissere dich, dass kein Wasser oder eine andere Flüssigkeit in dem Messzylinder ist, wenn du anfängst. Das Vorhandensein einer anderen Flüssigkeit könnte deine Messungen unrichtig werden lassen.
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Was du brauchst
- Kleine feste Kugel oder kugelförmiger Gegenstand, der nicht auf der betreffenden Flüssigkeit schwimmt.
- Zu messende Flüssigkeit
- Messzylinder, der größer ist als die Kugel
- Taschenrechner
- Stoppuhr
- Lineal oder Maßstab
- Fettstift
- Waage
Referenzen
- ↑ http://physics.info/viscosity/
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/dynamic-absolute-kinematic-viscosity-d_412.html
- ↑ http://www.spacegrant.hawaii.edu/class_acts/Viscosity.html
- ↑ http://www.physicsclassroom.com/class/1DKin/Lesson-5/Acceleration-of-Gravity
- ↑ https://www.teachengineering.org/view_activity.php?url=collection/cub_/activities/cub_surg/cub_surg_lesson03_activity1.xml
- ↑ http://www.spacegrant.hawaii.edu/class_acts/Viscosity.html
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