Тане в вискозиметре, а не в руках

1. в'язкість
2. Як зібрати вискозиметр
3. матеріали
4. матеріали
5. експеримент 2
6. Додаткові питання
7. в'язкість шоколаду
8. Подяки

Переклад: Надія Волкова.

Викладання в'язкості можна підсолодити за допомогою шоколаду.

Права на зображення
належать serg_dibrova

Шоколад - один з небагатьох продуктів, який залишається твердим при кімнатній температурі, але легко тане при температурі тіла. Цим властивістю він зобов'язаний маслу какао, жировому речовині, що отримується з насіння какао і яке залишається твердим при 25 ° C, але стає рідким при 37 ° C.

Тисячі дітей по всьому світу можуть підтвердити, що якість шоколаду - це дуже важливе питання. Коли шоколад знаходиться в рідкому стані, його якість визначають в основному по в'язкості. У цій статті ми описуємо придуманий нашими учнями метод для вимірювання в'язкості шоколаду з використанням віскозиметра, який можна зібрати з простих і легкодоступних матеріалів.

Після збірки апарату, яка триватиме 2-3 години, ви можете використовувати його для вимірювання в'язкості води, сиропу, меду і шоколаду, і порівняти отримані значення з табличними.

в'язкість

В'язкість рідин і газів визначається як опір матеріалу при деформації під тиском, яке створюється тертям між частинками речовини. Чим товще матеріал, тим більше в'язкість. Відповідно до закону Пуазейля, коефіцієнт в'язкості рідини, яка витікає з помпи (тобто при ламінарному плині рідини, а не турбулентному, см. Зображення 1), розраховується за такою формулою:

n = π r 4 ρt / 8 V

де:

n - коефіцієнт в'язкості

r - радіус отвору

ρ - питома вага рідини, ρ = dg, d - щільність рідини (d = m / V), і g - прискорення вільного падіння (9.8 м / с2)

t - час, необхідний рідини для того, щоб повністю витекти з помпи

V - об'єм рідини (в нашому експерименті ми використовували по 60 мл всіх рідин).

В'язкість вимірюється за допомогою спеціального інструменту - віскозиметра. Міжнародна одиниця виміру в'язкості - Пуазейль (Pl), еквівалент Паскаля в секунду, 1 Па з = 1 Н с / м2 = 1 кг / (м с). В системі СІ використовують одиницю виміру, яка називається пуаз (П), 1 П = 0.1 Па с.

Як зібрати вискозиметр

Нижчеописаний експеримент дозволяє сконструювати вискозиметр, використовуючи спосіб, який ми придумали з нашими учнями. Основну ідею запропонували учні, попит, як можна було б побудувати вискозиметр з підручних матеріалів, виходячи із закону Пуазейля. Шукане пристрій повинен давати можливість вимірювати в'язкість при різних температурах. Ми вирішили зробити щось на зразок воронки, оскільки темний колір шоколаду робить вимірювання методом падаючої кульки - коли вимірюється час, за яке кулька заданого обсягу пройде крізь рідину - абсолютно безглуздими.

Зображення 2: Схема
експерименту,
показує термометр в
ванні з водою (А), термометр
в помпі (В), і ізоляцію при
допомогою пінопласту (С).

матеріали

• Помпа або шприц об'ємом 60 мл з носиком довжиною 2.5 см
• Порожня пляшка з-під шампуню діаметром 7 см і довжиною більше ніж шприц
• Водонепроникний матеріал, наприклад, пінопласт
• Самоклейка фольга
• Два термометра, здатні вимірювати температуру від 0 до 100 ° C
• Конструкція, здатна утримувати апарат над мензуркою / склянкою для збору речовини. Це може бути якась рамка, придумана і зібрана учнями, наприклад, з підставок і скріпок, або просто дві стопки книг.
• Ніж для паперу або ножиці
• скотч
• Мензурка / склянка зі шкалою для вимірювання об'єму
• Чашкові ваги з чутливістю точніше 0.1 г
• Пластилін або глина для ліплення
• Лінійка або штагенціркуль

вказівки

1. Виміряти внутрішній діаметр носика шприца, використовуючи штангенциркуль або лінійку (або анотацію виробника).
2. Зняти кришку з пляшки з-під шампуню.
3. За допомогою ножиць або ножа для паперу позбутися днища пляшки.
4. Перевернути пляшку шийкою вниз.
5. Вставити шприц носиком вниз в пляшку.
6. Зафіксувати носик шприца в просторі між шприцом і пляшкою за допомогою пластиліну.
7. Вирізати з пінопласту три шматка з вимірами 30 см x 30 см x 5 см.
8. Скласти межі цих шматків разом, щоб отримати трубку з трикутним перетином, і з'єднати скотчем.
9. Помістити конструкцію зі шприца і пляшки з-під шампуню всередину цієї ізолюючої трубки.
10. Загорнути конструкцію в фольгу.
11. Вирізати маленький шматочок пінопласту і заткнути конструкцію зверху, зробивши дві дірочки під термометри так, щоб один термометр потрапляв в шприц, а другий - між нею і стінкою пляшки.
12. Вставити термометри в отвори в пінопласт (зображення 2).
13. Потім треба помістити вийшло пристрій на підставку таким чином, щоб носик шприца дивився вертикально вниз.
14. Помістити мензурку / склянку на чашкові ваги і встановити рівновагу на нулі.
15. Помістити ваги під пристрій так, щоб носик шприца був направлений в мензурку / склянку.

використовуючи вискозиметр

Сам процес складання віскозиметра вже є цінним експериментальним досвідом для учнів. Далі учні познайомляться з важливими дослідницькими питаннями, розмірковуючи про роль водяної бані і необхідності двох термометрів для точного визначення моменту, коли досягається теплова рівновага між досліджуваної рідиною і водою зовні.

матеріали

• Вискозиметр (схема зборки описана вище)
• Ще один шприц об'ємом 60 мл з носиком довжиною 2.5 см (точно такий же, як і для віскозиметра)
• чашкові ваги
• Вода (досить, щоб заповнити пляшку з-під шампуню)
• Чайник або інший нагрівач води
• Скляні склянки (по одній для кожної досліджуваної рідини)
• Секундомір або смартфон з таймером
• Різні рідини для вивчення; наприклад, вода, мед, сироп, молочний і гіркий шоколад. Не варто проводити експерименти з білим шоколадом, так як Емульсифікатори можуть утворити пробку, яка не дасть рідкому шоколаду текти.

вказівки

1. Нагрійте воду і налийте в пляшку з-під шампуню.
2. Зважте порожній другий шприц на чашкових вагах.
3. Нагрійте досліджувану рідину.
4. Налийте 60 мл гарячої рідини в другій шприц.
5. Зважте повний шприц.
6. Відніміть вага порожнього шприца з повної ваги, щоб визначити масу рідини. Знаючи обсяг рідини, оціните її щільність за формулою d = m / V.
7. Використовуючи щільність рідини, розрахуйте питому вагу рідини, ρ.
8. Перевіривши, що шприц закріплений всередині віскозиметра, помістіть нагріту рідину в цей шприц.
9. Помістіть пенопластовую трубку зверху на вискозиметр і почекайте, поки температури водяної бані і нагрітої рідини не зрівняються.
10. Витягніть пластилін з носика шприца, щоб рідина почала текти. Увімкніть секундомір.
11. Рідина повинна протекти в склянку під шприцом, тоді ваги покажуть масу рідини, що витекла.
12. Спостерігаючи за вагами, визначте, коли вся рідина покине вискозиметр. Зупиніть таймер.
13. Запишіть час витікання рідини з віскозиметра.
14. Тепер коефіцієнт в'язкості можна виміряти за допомогою закону Пуазейля.

Експериментальні виміри й обчислення

експеримент 1

Учні можуть виміряти значення коефіцієнта в'язкості для різних матеріалів при різних температурах (20 ° C і 80 ° C), і потім розставити рідини в порядку збільшення в'язкості. Ви можете обговорити можливі причини відмінностей між значеннями коефіцієнта в'язкості для різних рідин.

Результати наших учнів представлені в зображеннях 4 і 5, а також таблицях 1 і 2.

Таблиця 1: В'язкість різних речовин при 20 ° C

Речовина Час перебігу t (сек) В'язкість n (Па сек) Вода 4.2 0.07 Звичайний сироп 6.3 0.5 Карамельний сироп 23.5 1.9 Мед 32.5 2.5

Таблиця 2: В'язкість різних речовин при 80 ° C

Речовина Час перебігу t (сек) В'язкість n (Па сек) Вода 2.3 0.05 Мед 4.5 0.3 Молочний шоколад 38.0 2.3 Темний шоколад 43.0 2.8

експеримент 2

Попросіть ваших учнів виміряти значення коефіцієнта в'язкості для шоколаду, меду і води при п'яти або більше різних температурах, щоб вивчити зміна в'язкості в залежності від температури.

Час проходження крізь вискозиметр при різних температурах для води, меду і шоколаду, а також значення в'язкості для цих речовин показані в таблицях 3, 4 і 5, відповідно. На зображенні 6 показані зміни в'язкості як функція від температури для різних рідин.

Таблиця 3: Експериментальні значення часу течії і в'язкості, розраховані для води

Температура Θ (° C) Час перебігу t (сек) В'язкість n (Па сек) 30 4.207 0.07 40 3.92 0.06 50 3.5 0.06 60 3.05 0.05 70 2.73 0.04 80 2.3 0.04

Таблиця 4: Експериментальні значення часу течії і в'язкості, розраховані для меду

Температура Θ (° C) Час перебігу t (сек) В'язкість n (Па сек) 35 30 2.3 45 24.38 1.9 50 17.5 1.3 55 15.5 1.2 60 7.1 0.5

Таблиця 5: Експериментальні значення часу течії і в'язкості, розраховані для шоколаду

Температура Θ (° C) Час перебігу t (сек) В'язкість n (Па сек) 40 800 52.6 50 660 43.4 60 590 38.8 70 480 31.6 80 43 2.8

Додаткові питання

Щоб доповнити заняття, ви можете задати учням наступні питання:

1. Який розкид значень коефіцієнта в'язкості для різних речовин при 20 ° C і 80 ° C? Чому темний шоколад демонструє більш високу в'язкість, ніж інші рідини?
2. Які висновки ви можете зробити про залежність в'язкості від температури?
3. Вище чи в'язкість меду і шоколаду при 80 ° C? Спробуйте підкріпити свою відповідь аргументами з літератури.
4. Чи відповідають значення в'язкості, які ви виміряли для води, меду і шоколаду, табличним? Якщо немає, чи можете ви пояснити, чому?

в'язкість шоколаду

Розплавлений шоколад являє собою щільну суміш сахарози, покритої фосфолипидами, і частинок какао в рідкому жирі. Через це в'язкість шоколаду знаходиться в складній залежності від зміни швидкості течії, такі рідини називаються неньютоновскими. Необхідно докласти певну силу, щоб шоколад почав текти; коли шоколад вже тече, зі збільшенням цієї сили його в'язкість знижується.

По суті, протягом шоколаду описується двома параметрами. Перший - це межа еластичності, сила, яка необхідна, щоб змусити шоколад текти. Другий параметр називається пластична в'язкість і пов'язаний з енергією, яка потрібна шоколаду, щоб продовжувати рухатися з постійною швидкістю ( Beckett, 2000. ).

Принципи течії шоколаду цікаві не тільки для школярів, але і, звичайно ж, для виробників шоколаду.

Подяки

Ми висловлюємо нашу глибоку вдячність нашим учням Зої Ефтіміаду, Вікторії Келанастасі і Аггелікі Косма за їх сумлінність, блискучі ідеї і наполегливу працю.

Ми так само передаємо подяку професорам К.Г. Ефтіміадіс, Х. Полатоглу і К. Мелідіс з факультету фізики Університету Аристотеля в Тессалоніках (Греція) за їх корисні пропозиції.

Нарешті, ми висловлюємо нашу глибоку вдячність пану Н. Куріакідесу, батьку одного з учнів, який взяв на себе конструювання металевої бази для нашого саморобного віскозиметра.