В'язкість. 
Методика проведення комп’ютерного фізичного експерименту

Мета: дослідити явище виникнення внутрішнього тертя.

Обладнання. ЕОМ, програмне забезпечення WINDOWS та «Молекулярна фiзика на комп’ютерi 1.05», зокрема програма VISCOSTY.

Завантаживши дану лабораторну роботу, користувачі мають змогу ознайомитись з теоретичним матеріалом, а потім перейти до виконання лабораторної роботи. Інтерфейс програми зручний тим, що в будь-який момент можна зупинити процес, продивитися підказки, змінити параметри системи або ж обрати інший вид експерименту. Користувач може змінити кількість молекул, температуру, відстань між пластинками та прослідкувати за допомогою графіків, як змінюється система при зміні тих чи інших параметрів. Це дає змогу краще зрозуміти суть явища в’язкості, причини його виникнення. Слід зазначити, що користувач сам обирає який процес він досліджує при зміні виду пластинки (можна встановити вільну чи закріплену пластинку або ж зовсім прибрати її та розглянути потік газу).

В’язкiстю називається явище виникнення дотичних сил внутрiшнього тертя мiж шарами рухомого газу або рiдини. Дана програма допоможе Baм переконатися в iснуваннi цих сил на простих прикладах.

Програма моделює виникнення внутрiшнього тертя в газах в результатi поперечного перенесення iмпульсу. В даній програмі розглянуто двовимiрну модель iдеального газу, що знаходиться мiж двома паралельними пластинками. Зiткнення молекул мiж собою розраховуються за законами класичної механiки, вважаючи, що зіткнення абсолютно пружні. Зiткнення з пластинками не є абсолютно пружними.

У програмi розглянуто декiлька випадкiв:

1) Верхня пластина закрiплена, тодi як нижня починає рiвномiрно рухатися. В ході експерименту демонструється рух газу мiж двома пластинками — закрiпленої верхньої i рухомої з постiйною швидкiстю нижньої. В цьому випадку програма обчислює силу, що дiє на верхню пластинку. На основі одержаних даних будується графiк залежностi сили F, що дiє на верхню пластинку вiд часу. Програма дозволяє змінювати такі параметри, як температура, кількість молекул та відстань між пластинками.

Пропонується спочатку виставити довільні значення кожного з параметрів, наприклад:, ,, і запустити програму. В результаті буде побудовано графiк залежностi сили, що дiє на верхню пластинку вiд часу. Потім, виставляючи по черзі температури і (решту параметрів залишати сталими), будують нові графіки в тій самій системі координат. В результаті, проаналізувавши одержані графіки приходять до висновку, що сила спочатку різко зростає, а потім, наблизившись до певного значення, майже не змінюється. Також можна підкреслити, що при вищій температурі сила приймає більше значення.

Аналогічно демонструють характер зміни сили в залежності від відстані між пластинками. В роботі можна встановлювати відстані:, ,. В результаті виконання роботи переконуються, що сила спочатку зростає до певного значення, а потім майже не змінюється. Однак на відміну від попереднього випадку, при збільшені відстані між пластинками сила зменшується.

У випадку коли змінюють тільки кількість молекул (), помічають ту ж залежність, що і в першому випадку: різке зростання сили до певної межі, а також збільшення сили при збільшенні кількості молекул в досліді.

2) Верхня пластинка вiльна, тодi як нижня пластинка починає рiвномiрний рух. Пiд дiєю сил внутрiшнього тертя верхня пластинка також починає рухатися. Обчислюється залежнiсть швидкостi пластинки вiд часу.

В даному досліді можна змінювати кількість кількість молекул, температуру та відстань між пластинками.

Змінюючи лише температуру, переконуються в тому, що швидкість молекул спочатку різко зростає, а потім, досягнувши певного значення, майже не змінюється. Можна також помітити, що при встановленні більшої температури швидкість молекул зростає швидше, також факт наближення швидкостей молекул в двох останніх випадках майже до того ж самого значення.

Досліджуючи залежність швидкості молекул від часу при встановленні різних відстаней між пластинками, одержуємо аналогічний до попереднього випадку результат. Єдина відмінність у тому, що при збільшенні відстані між пластинками швидкість молекул зростає трохи повільніше.

У випадку аналізу графіків побудованих при встановленні різної кількості молекул, встановлюємо ту ж закономірність, що і в першому випадку. Також можна помітити, що графіки майже накладаються один на одного.

3) Обидвi пластинки закрiпленi, моделюється потiк газу в двовимiрнiй трубi. На екранi монiтора обчислюється i демонструється розподiл швидкостей шарiв газу мiж закрiпленими пластинками, обумовлений силами внутрiшнього тертя.

Аналогічно до попередніх дослідів можна продемонструвати характер зміни швидкостей молекул при зміні того чи іншого параметру. Аналізуючи одержані результати, можна помітити, що хоча розподіл швидкостей молекул в усіх випадках різний. Спільним лишається те, що максимальні швидкості мають молекули розміщені посередині між пластинками, мінімальні - біля пластинок.

Таким чином, дана лабораторна робота дає можливість наочно продемонструвати явище в’язкості, що може бути використано як під час викладу нового матеріалу, так і під час виконання фізичного експерименту.