Come Determinare la Viscosità di un Liquido

La viscosità può essere definita come la misura della resistenza di un fluido allo scorrimento. Considera l'acqua e la melassa: l'acqua scorre in modo relativamente libero, mentre la melassa è meno fluida. Poiché la melassa è più resistente allo scorrimento possiede una viscosità maggiore rispetto all'acqua. Esistono diversi metodi che si possono utilizzare per misurare la viscosità di un liquido, il meno complesso dei quali, probabilmente, prevede di far cadere una sfera in un contenitore trasparente contenente il liquido di cui stai cercando di determinare la viscosità.

Parte 1

Parte 1 di 2:

Comprendere il Concetto di Viscosità

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Definisci la viscosità. La viscosità misura la resistenza di un liquido allo scorrimento.^{[1]
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Fonte di ricerca} Un fluido con un elevato grado di viscosità scorre molto lentamente, come il miele ad esempio, mentre un fluido con un basso grado di viscosità scorre velocemente, come l'acqua. L'unità di misura della viscosità è il Pascal-secondo (Pa•s).^{[2]
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Fonte di ricerca}
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Definisci l'equazione per la viscosità. Tramite questo esperimento verrà calcolata la viscosità effettuando delle misurazioni di una sfera e del suo passaggio attraverso la sostanza liquida. L'equazione per determinare la viscosità è [2(p_s-p_l)ga²]/9v dove p_s è la densità della sfera, p_l la densità del liquido, g l'accelerazione di gravità, a il raggio della sfera e v la velocità della sfera.^{[3]
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Fonte di ricerca}
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Comprendi le variabili dell'equazione della viscosità. La densità è la massa per unità di volume di un oggetto ed è designata dalla lettera "p". In questa equazione occorre misurare la densità sia della sfera p_s che del liquido p_l in cui viene fatta cadere. Il raggio della sfera, "a", può essere calcolato misurando la circonferenza della sfera e dividendo il risultato per 2π. L'accelerazione di gravità, "g", è una costante che dipende dall'atmosfera del pianeta da cui si effettua l'osservazione. In questo caso siamo sulla terra, quindi "g" misura 9,8m/s².^{[4]
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Fonte di ricerca} La velocità della sfera, "v", viene calcolata durante l'esperimento ed è definita dal tempo impiegato dall'oggetto per percorrere una determinata distanza in metri al secondo (m/s).

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Parte 2

Parte 2 di 2:

Misurare la Viscosità

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Raccogli i materiali necessari per l'esperimento. Per calcolare la viscosità di un liquido avrai bisogno di una sfera, un cilindro graduato, un metro, un cronometro, il liquido in questione, una bilancia e una calcolatrice.^{[5]
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Fonte di ricerca} Questo esperimento comprende molti passaggi, ma se vengono seguiti correttamente ti permetteranno di calcolare la viscosità di una qualsiasi sostanza liquida.
- La sfera da utilizzare può essere una piccola biglia o una palla d'acciaio. Assicurati che la misura del diametro della sfera non sia maggiore della metà del diametro del cilindro graduato: in questo modo può essere agevolmente lasciato cadere nel cilindro.
- Un cilindro graduato è un contenitore di plastica su cui sono riportate delle tacche che ti permettono di misurare il volume.
- Al posto del cronometro puoi usare un normale orologio, ma le tue misurazioni saranno più accurate con il cronometro.
- La sostanza liquida deve essere sufficientemente trasparente da permettere di vedere la sfera cadere attraverso il fluido. Prova a utilizzare diversi tipi di liquido con diversi gradi di scorrimento per capire come differiscono tra di loro in termini di viscosità.
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Calcola la densità della sfera scelta per l'esperimento. Per effettuare il calcolo della viscosità è necessaria la misura della densità sia della sfera che del liquido. La formula per determinare la densità è $d=m/v$ $d=m/v$ , dove "d" è la densità, "m" la massa dell'oggetto e "v" il suo volume.
- Misura la massa posizionando la sfera su una bilancia. Annota il valore della massa in grammi (g).
- Determina il volume della sfera usando la formula V = (4/3) x π x r³, dove V è il volume, π la costante 3,14 e r il raggio della sfera. Puoi calcolare il raggio misurando la circonferenza della sfera e dividendo il risultato per 2π.
- Puoi calcolare il volume anche misurando la quantità di acqua dislocata in un cilindro graduato. Annota il valore iniziale del livello dell'acqua, adagia la palla nel liquido e prendi nota del nuovo valore del livello dell'acqua. Sottrai il valore iniziale da quello finale, la cifra equivarrà al volume della sfera in millilitri (ml).
- Calcola la densità mediante la formula $d=m/v$ . L'unità di misura della densità è g/ml.
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Determina la densità del liquido che stai misurando. Usando la stessa formula di cui sopra, dovrai calcolare la densità della sostanza liquida in questione.
- Misura la massa del liquido pesando innanzitutto il cilindro graduato vuoto. Versa il liquido nel cilindro e pesalo nuovamente. Sottrai il valore della massa del cilindro vuoto da quello del cilindro contenente il liquido per ottenere la massa del liquido in grammi (g).
- Per calcolare il volume del liquido determina semplicemente la quantità di liquido che hai versato nel cilindro graduato usando le tacche segnate sul lato del contenitore. Annota il valore del volume in millilitri (ml).
- Usa la formula $d=m/v$ e i valori delle misurazioni per calcolare la densità del liquido in g/ml.
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Riempi il cilindro graduato con il liquido da misurare e segna delle tacche sulla parte superiore ed inferiore del cilindro. Versa lentamente il liquido nel cilindro graduato, riempiendo il contenitore fino a 1/2-3/4.
- Segna una tacca di circa 2 cm sul cilindro a partire dal livello superiore del liquido.
- Disegna una seconda tacca di circa 2 cm a partire dalla parte inferiore del cilindro graduato.
- Misura la distanza tra le tacche appena segnate sul contenitore. Posiziona il lato inferiore del metro sulla tacca inferiore e annota la misura della distanza fino alla tacca superiore.
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Annota il tempo impiegato dalla sfera per passare dalla tacca superiore a quella inferiore. Lascia cadere la sfera nel liquido e avvia il cronometro quando la parte inferiore della palla raggiunge la tacca superiore segnata sul cilindro. Quando la sfera raggiunge la tacca segnata sulla parte inferiore del contenitore, ferma il cronometro.
- I liquidi con bassa viscosità saranno più complicati da misurare con questo metodo, perché sarà più difficile avviare e fermare il cronometro in modo accurato.
- Ripeti questo passaggio almeno tre volte (più saranno le ripetizioni e più le misurazioni risulteranno accurate) e calcola la media tra i tre valori ottenuti. Per trovare la media, somma i valori ricavati e dividi il risultato per il numero di prove effettuate.
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Calcola la velocità della sfera. La velocità è data dalla misura della distanza percorsa per il tempo impiegato a percorrere tale distanza. La formula per calcolare la velocità è $v=d/t$ $v=d/t$ , dove v è la velocità, d la distanza percorsa e t il tempo impiegato.
- Per trovare la velocità della sfera, sostituisci i valori ottenuti alle variabili dell'equazione $v=d/t$ .
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Calcola la viscosità del liquido. Per determinare la viscosità, sostituisci i dati ottenuti nella formula: "viscosità = [2(p_s-p_l)ga²]/9v", dove p_s è la densità della sfera, p_l la densità del liquido, g l'accelerazione di gravità (il valore costante di 9,8 m/s²), a il raggio della sfera e v la velocità della sfera.^{[6]
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Fonte di ricerca}
- Ad esempio, supponiamo che la densità del fluido sia di 1,4 g/ml, la densità della sfera di 5 g/ml, il raggio della sfera di 0,002 m e la velocità della sfera di 0,05 m/s.
- Sostituendo i valori nell'equazione otterremo: viscosità = [2(5 – 1,4)(9,8)(0,002)]/(9 x 0,05) = 0,314 Pa•s.
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Consigli

Creare una tabella per i dati potrebbe aiutarti a tener traccia delle tue misurazioni ed evitare confusione e foglietti volanti.
Tutte le misurazioni devono essere in scala metrica.
Non dimenticarti di aggiungere le unità di misura ai valori calcolati.

Avvertenze

Prima di iniziare l'esperimento, assicurati che non vi sia dell'acqua o altro liquido nel cilindro graduato. La presenza di un altro liquido potrebbe rendere inaccurate le tue misurazioni.
Per far funzionare l'esperimento, la sfera scelta deve avere una densità maggiore rispetto al liquido utilizzato.
Prima di lasciar cadere la sfera nel cilindro graduato, rimuovi qualsiasi traccia di liquido dalla palla e asciugala accuratamente tra una prova e l'altra.
Quando riempi il cilindro graduato con il liquido, assicurati di non avvicinarti troppo alla sommità del contenitore. Se non lasci spazio a sufficienza, il dislocamento del liquido causato dallo spostamento della sfera potrebbe traboccare dal cilindro e rendere vani i tuoi calcoli.

Cose che ti Serviranno

Una piccola sfera solida o un oggetto a forma sferica (non deve galleggiare sul liquido)
Liquido da misurare
Cilindro graduato con capienza maggiore rispetto alle dimensioni della sfera
Calcolatrice
Cronometro
Metro o altro strumento di misurazione
Marcatore
Bilancia