v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Właściwości materii i płyny · 1 min czytania

Lepkość — zadanie: czy pomiary uzasadniają model Newtonowski?

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

W tej samej stałej temperaturze badano dwie modelowe ciecze. Niepewności pomiarów są małe w porównaniu z podanymi różnicami.

Naprężenie przy trzech szybkościach ścinania
Szybkość ścinania (s⁻¹)Ciecz A: τ (Pa)Ciecz B: τ (Pa)
101,01,0
202,01,6
404,02,4

a) Oblicz ilorazy τ/γ̇ i oceń zgodność z modelem Newtonowskim w badanym zakresie. b) Znajdź siły na powierzchni 0,010 m² przy 40 s⁻¹. c) Czy z danych wolno jednoznacznie wyliczyć naprężenie cieczy B przy 60 s⁻¹?

Punkty pomiarowe: ciecz A ma naprężenia 1, 2 i 4 Pa przy 10, 20 i 40 s⁻¹; ciecz B ma odpowiednio 1, 1,6 i 2,4 Pa. Punkty nie zostały połączone narzuconą krzywą modelu.
Wykres tych samych danych. Oceniaj proporcjonalność, a nie tylko to, czy naprężenie rośnie. Kliknij rysunek, aby go powiększyć.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Stała lepkość oznacza jednakowy iloraz naprężenia i szybkości ścinania. Rosnące naprężenie samo w sobie nie dowodzi proporcjonalności. Trzy punkty nie wyznaczają jedynego prawa poza zakresem pomiarów.

Rozwiązanie

1. Liczymy, zamiast oceniać jedynie kształt wykresu

Dla cieczy A wszystkie trzy ilorazy są jednakowe:

\frac{1{,}0}{10}=\frac{2{,}0}{20}=\frac{4{,}0}{40}=0{,}10\ \mathrm{Pa\cdot s}.

Pomiary są zatem zgodne z modelem Newtonowskim o η = 0,10 Pa·s w zbadanym zakresie i temperaturze. Nie dowodzą zachowania tego samego modelu przy dowolnym ścinaniu.

Dla cieczy B lepkości pozorne wynoszą kolejno:

\eta_{\mathrm{poz}}=0{,}10;\ 0{,}080;\ 0{,}060\ \mathrm{Pa\cdot s}.

Iloraz maleje, chociaż samo naprężenie rośnie. Model z jedną stałą η nie opisuje tych punktów w granicach zadanej małej niepewności. Dane wskazują na rozrzedzanie ścinaniem w tym zakresie; nie wyznaczają pełnego prawa materiałowego.

2. Siła zależy od naprężenia w konkretnym pomiarze

Przy 40 s⁻¹ korzystamy z ostatniego wiersza tabeli i mnożymy naprężenie przez pole:

F_A=4{,}0\cdot0{,}010=0{,}040\ \mathrm N,\qquad F_B=2{,}4\cdot0{,}010=0{,}024\ \mathrm N.

Obie wartości dotyczą tej samej powierzchni i szybkości ścinania. Użycie dla B lepkości pozornej z pierwszego pomiaru dałoby 0,040 N, sprzecznie z podanymi danymi.

3. Dlaczego nie ma jednej odpowiedzi dla 60 s⁻¹?

Można poprowadzić wiele różnych krzywych przez trzy punkty. Każda może przewidywać inne naprężenie przy 60 s⁻¹. Wynik 3,6 Pa otrzymany przez zachowanie ostatniej lepkości pozornej byłby dodatkowym założeniem, a nie wnioskiem z pomiarów. Potrzebny jest kolejny pomiar albo uzasadniony model i zakres jego stosowania.

Dla A przedłużenie modelu Newtonowskiego dawałoby 6,0 Pa przy 60 s⁻¹, ale także byłaby to prognoza do sprawdzenia poza zakresem danych. Tak rozdzielamy opis pomiarów od ekstrapolacji.

Powiązana teoria

Lepkość Newtonowska: siła zależy od gradientu prędkości

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Liczy się różnica prędkości

Najpierw przewiduj: Dodaj tę samą prędkość obu płytkom. Czy zmienią się naprężenie i moc rozpraszana na jednostkę powierzchni?

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Warstwa cieczy między poruszającymi się płytkami i gradient prędkości.
Warstwa cieczy między poruszającymi się płytkami i gradient prędkości. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

η = 0,1 Pa·s, h = 0,001 m, U₂ − U₁ = 0,5 m/s: gradient wynosi 500 s⁻¹, naprężenie 50 Pa, a moc rozpraszana na jednostkę powierzchni 25 W/m².

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Dla cieczy Newtonowskiej między równoległymi płytkami u(y)=U_1+(U_2-U_1)\frac yh,\quad\tau=\eta\frac{U_2-U_1}{h}. Znak τ opisuje kierunek naprężenia przenoszącego ruch szybszej warstwy na wolniejszą; siła oporu na płytkę ma przeciwny zwrot do jej ruchu względem drugiej płytki.

Moc rozpraszana na jednostkę powierzchni wynosi η(U₂ − U₁)²/h i jest nieujemna. Stały ruch obu płytek z taką samą prędkością nie ścina cieczy. Model zakłada warunki ustalone, brak gradientu ciśnienia, stałą lepkość, brak poślizgu przy ściankach oraz pomijalne efekty brzegowe. Nie opisuje dowolnej gęstej cieczy nienewtonowskiej.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.