СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к области экспериментальных способов определения силы гидродинамического сопротивления обтекаемого тела, возникающего при его разгоне в вязкой жидкости, и может найти применение для исследования сопротивления маловязких жидкостей, типа вода, керосин, ацетон.

Известен способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что обтекаемое твердое тело помещают в бассейн динамометрического типа, затем этому телу задают определенную скорость хода и с помощью тензометрической аппаратуры измеряют силу сопротивления обтекаемого тела в потоке данной жидкости [1].

Недостатками данного способа являются большие габариты бассейна (50 метров), трудоемкость проведения эксперимента.

Известен способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что чувствительный элемент в виде шарика, закрепленный посредством пружины к опоре, помещают в жидкость, задают ему колебания и измеряют деформацию тензодатчиков, по которой судят о величине возникающей силы сопротивления жидкости [2].

Недостатками указанного способа являются:

1. Сложность реализации способа, так как требуется сложная тензометрическая аппаратура.

2. Невозможность измерения силы сопротивления жидкости, возникающей при разгоне обтекаемого твердого тела в вязкой среде.

Известен способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что чувствительный элемент в виде шарика, упруго прикрепленный к опоре через мембрану, помещают в колбу с жидкостью, после этого колбе с жидкостью задают движение и измеряют прогиб мембраны с помощью тензодатчиков и по результатам измерений судят о величине силы сопротивления жидкости [3].

Недостатками указанной установки являются:

1. Трудоемкость реализации способа, так как требуется сложная тензометрическая аппаратура.

2. Невозможность измерения силы сопротивления жидкости, возникающей при разгоне обтекаемого твердого тела, так как при движении колбы с ускорением возникают завихрения жидкости, искажающие точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что чувствительный элемент в виде шарика, упруго соединенный с ротором двигателя через динамометр, помещают в жидкость, перемещают с постоянной скоростью относительно жидкости, измеряют величину растяжения пружины и по ней судят о возникающей силе сопротивления жидкости [4].

Недостатками этого способа является следующее.

1. Невозможно измерение силы сопротивления жидкости при разгоне обтекаемого твердого тела, так как разгон тела в вязкой среде происходит с переменным ускорением, что вызовет переменное колебание пружины динамометра и нестабильность измерений.

2. Невозможно измерение силы сопротивления маловязких жидкостей, так как в этом случае малая сила сопротивления обусловит незначительную деформацию пружины.

Задачей предлагаемого изобретения является определение силы сопротивления жидкости, возникающей при разгоне обтекаемого тела, а также экспериментальное исследование маловязких жидкостей (воды, керосина, ацетона и т.д.).

Поставленная задача достигается за счет того, что чувствительный элемент в виде шарика погружают в испытуемую жидкость в пределах толщины ее слоя, после чего разгоняют в ней вертикально вверх до выхода шарика из жидкости в воздух, а затем тормозят шарик в воздухе до полной остановки, измеряют путь торможения и по этой величине судят о возникающей силе сопротивления жидкости.

Предлагаемый способ определения силы сопротивления жидкости позволяет измерять указанную силу при разгоне обтекаемого твердого тела в вязкой среде при экспериментальном исследовании маловязких жидкостей (воды, керосина, ацетона).

На чертеже приведен общий вид установки по предлагаемому способу, где 1 емкость с жидкостью, 2 чувствительный элемент в виде шарика.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Чувствительный элемент 2 погружают в емкость с испытуемой жидкостью 1 в пределах толщины ее слоя h и разгоняют его из состояния покоя (скорость шарика υ=0) движущей силой F₁ (сила Архимеда). Под действием движущей силы F₁ шарик разгоняется до скорости υ=υ₀ к моменту его выхода из жидкости в воздух. Затем шарик 2 тормозят в воздухе силой F₂ до полной остановки (υ=0) При этом шарик в воздухе до полной остановки проходит путь торможения, равный H. Измеряя путь H, по его величине судят о возникающей силе сопротивления жидкости следующим образом.

Используя закон сохранения энергии, запишем равенство кинетической энергии шарика массой m в момент выхода из жидкости с работой, совершаемой тормозящей силой F₂ на пути торможения H:

получаем следующую зависимость:

С другой стороны, из известного закона Стокса:

где r - радиус шарика, η - динамическая вязкость исследуемой жидкости.

Решая совместно (2) и (3), находим искомую зависимость для определения силы сопротивления:

Если тормозящая сила F₂ создается в воздухе силой тяжести шарика 2, т.е. F₂=mg, то в этом случае зависимость (4) примет вид:

где измеряемая величина Н будет однозначно определять значение сопротивления жидкости Fc.

Достигаемый в результате эксперимента положительный эффект заключается в следующем.

1. Возможность измерения силы сопротивления жидкости, возникающей при разгоне обтекаемого твердого тела в вязкой среде.

2. Возможность экспериментального исследования сопротивления маловязких жидкостей (воды, керосина, ацетона).

3. Простота реализации способа, так как для определения силы сопротивления жидкости не требуется сложной тензометрической аппаратуры, а также использование крупногабаритного бассейна динамометрического типа, что в совокупности позволяет снизить трудоемкость проводимых измерений.

Источники информации

1. Кривоносов Л.М., Сталеров Ю.С. Загадки голубых дорог. М.: изд-во "Просвещение", 1967, с.89, 90; рис.51 и 52 (аналог).

2. Авторское свидетельство СССР №1160276, бюл.№21, 1985, G 01 N 11/10 (аналог).

3. Авторское свидетельство СССР №1497501, бюл.№28, 1989, G 01 N 11/10 (аналог).

4. Авторское свидетельство СССР №1221552, бюл.№12, 1986, G 01 N 11/10 (прототип).

Использование: для исследования сопротивления маловязких жидкостей. Сущность: способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что чувствительный элемент в виде шарика помещают в испытуемую жидкость, перемещают относительно нее и измеряют параметры движения. Шарик погружают в пределах толщины слоя испытуемой жидкости, после чего его разгоняют в ней вертикально вверх до выхода шарика из жидкости в воздух, а затем тормозят шарик в воздухе до полной остановки, измеряют путь торможения и по этой величине судят о возникающей силе сопротивления жидкости. Технический результат - простота реализации способа, возможность исследования маловязких жидкостей. 1 ил.

Способ определения силы сопротивления жидкости, заключающийся в том, что чувствительный элемент в виде шарика помещают в испытуемую жидкость, перемещают относительно нее и измеряют параметры движения, отличающийся тем, что шарик погружают в пределах толщины слоя испытуемой жидкости, после чего разгоняют в ней вертикально вверх до выхода шарика из жидкости в воздух, а затем тормозят шарик в воздухе до полной остановки, измеряют путь торможения и по этой величине судят о возникающей силе сопротивления жидкости.