Natuurkunde Experiment

Lara stelde deze vraag op 13 september 2005 om 18:51.
Voor school moet ik een experiment doen met als onderzoeksvraag: Hoe hangt de valsnelheid van een kogeltje in glycerol af van de straal van het kogeltje? We doen glycerol in een maatcilinder en dan laten we het kogeltje vallen vlak boven het oppervlak van het glycerol. Maar eerst moeten we een hypothese schrijven, en tot zover ben ik nu gekomen: We verwachten dat naar mate de straal van het kogeltje toeneemt, de valsnelheid groter zal zijn. Dit baseren wij op de Wet van Stokes, die stelt dat: Fw=6*pi*n*r*v . In deze formule is Fw de wrijvingskracht (N), n is de viscositeit (Pa/s), r (m) is de straal van het kogeltje en v is snelheid bol (m/s). Vrijwel gelijk nadat we kogeltje loslaten in de glycerol, zal de snelheid constant zijn en geldt er Fw=Fz, volgens de eerste Wet van Newton die stelt dat “een lichaam waar geen krachten op werken is in rust of voert een eenparige rechtlijnige beweging uit”. De formule van in een vloeistof komt voort uit de Wet van Archimedes: “Een voorwerp dat geheel of gedeeltelijk in ene vleoistof is gedompeld, ondervindt een opwaartse kracht die even groot is als de zwaartekracht op de verplaatste vloeistof”. Dus: Fz = Vbol *rho(vloeistof)*g , waarbij Vbol de volume van het kogeltje is (m3), rhovloeistof de dichtheid van de glycerol is en g de gravitatieconstante is (m/s2). Hieruit blijkt dat hoe groter de Vbol wordt, hoe groter de Fz wordt. Omdat de Fz gelijk is aan Fw als de snelheid constant, zal vanzelfsprekend de Fw groter worden en daarmee de snelheid van het kogeltje ook, omdat die de enige variabele is in de Wet van Stokes. Klopt dit? Ik weet namelijk niet zeker of dat stukje over die wet van Archimedes klopt. Alvast bedankt :)

Reacties

lara op 13 september 2005 om 22:01
Beste lara,je hebt het bijna goed, het enige wat je vergeten bent is dat er niet 2 maar 3 krachten op het bolletje werken:1) Zwaartekracht : Fz=V_bol*rho_bol*g2) Opwaartse kracht: Fo=V_bol*rho_vloeistof*g3) De wrijvingskracht : Fw=6*pi*r*ehta*vDe zwaartekracht werkt naar onderen, en de opwaartse kracht en de wrijvingskracht naar boven. Dus bij een constante sneleheid geldt dan:Fz=Fo+FwIk moet je er wel op wijzen dat de wet van stokes alleen geld voor lage Reynolds getallen (Re=rho_vloeistof*v*diameter_bol/ehta <= 0.5, zie bijvoorbeeld http://scienceworld.wolfram.com/physics/StokesFlowSphere.html voor de afleidingen)Hopelijk kom je zo een stuk verder.Als je de wrijvingskracht voor meerdere reynolds getallen wilt gebruiken dan zijn deze voor een bol :Fw=0.5*Cd*rho_vloeistof*v^2*Adwars=0.5*Cd*pi*r^2*rho_vloeistof*v^2Re<1Cd=24/Re1
Lara op 14 september 2005 om 18:04
Bedankt voor je reactie. Ik hoop dat we die lage reynolds getallen mogen verwaarlozen. Stel dat dat zo is, klopt mijn hypothese dan zo:-----------------We verwachten dat naar mate de straal van het kogeltje toeneemt, de valsnelheid groter zal zijn.Vrijwel gelijk nadat we het kogeltje loslaten in de glycerol, zal de snelheid constant zijn. Er werken drie krachten op het kogeltje, namelijk de zwaartekracht ( Fz naar beneden gericht), de opwaartse kracht (Fo) en de wrijvingskracht (Fw allebei naar boven gericht). De eerste wet van Newton stelt dat ?een lichaam waar geen krachten op werken is in rust of voert een eenparige rechtlijnige beweging uit?. Dus geldt er op het moment dat de snelheid constant is:Fz= Fo + Fw en Fw=Fz-FoDe formule voor wrijvingskracht in een vloeistof en gas komt van de Wet van Stokes. Fw=6*pi*n*r*v In deze formule is Fw de wrijvingskracht (N), n is de viscositeit (Pa/s), r is de straal van het kogeltje (m) en v is snelheid van het kogeltje (m/s).De formule van de zwaartekracht is Fz=m*g, dus Fz=rho(bol)*Vbol*g , want m=rho*volume.In de formule is Vbol het volume van de bol (m3), ?bol is de dichtheid van de bol (m3/kg) en g is de gravitatieconstante (m/s2).De formule van Fo in een vloeistof komt voort uit de Wet van Archimedes: ?Een voorwerp dat geheel of gedeeltelijk in ene vloeistof is gedompeld, ondervindt een opwaartse kracht die even groot is als de zwaartekracht op de verplaatste vloeistof?. Dus:Fo=V_bol*rho_vloeistof*g , waarbij Vbol de volume van het kogeltje is (m3), ?vloeistof de dichtheid van de glycerol is en g de gravitatieconstante is (m/s2).Al eerder bleek dat: Fw=Fz-FoUit de formules hierboven beschreven, blijkt dat:6*pi*n*r*v= rho(bol)*Vbol*g -(V_bol*rho_vloeistof*g)Dus:Fw= Vbol*(rho_bol - rho_vloeistof)*gOm de volume van het kogeltje (Vbol) te meten, gebruiken we de formule Vbol=4/3?pi?r3. De enige variabele in deze formule is r, de straal van het kogeltje. Dus, hoe groter de straal, hoe groter het volume van het kogeltje.Hoe groter de Vbol wordt, hoe groter de Fw wordt. De enige variabelen in de formule van Fw=6*pi*n*r*v zijn de valsnelheid en de straal. Dus hoe groter de Fw , hoe groter de valsnelheid. --------------------------------De twee laatste zinnen zijn een beetje krom, maar ik weet niet hoe ik het beter kan uitleggen. Dus klopt het wel zo? Ik hoop het ;)Alvast bedankt :)
Jaap op 15 september 2005 om 18:39
Dag Lara,Je beschouwing ziet er goed uit, complimenten.Wel is belangrijk wat in de eerdere reactie (van iemand anders) staat over het reynoldsgetal. In je laatste uitwerking gebruik je opnieuw Fw=6*pi*èta*r*v en dit geldt alleen indien het reynoldsgetal Re=rhovloeistof*v*Dbol/èta kleiner is dan circa 0,5. Zoals uit je afleiding volgt, zal een grote massieve bol sneller zinken dan een kleine. Je kunt aan de hand van je formules een schatting maken van de maximale diameter waarbij de bol nog beneden Re=0,5 blijft. In je experiment moet je je ervan vergewissen dat Re van de zinkende bol inderdaad beneden 0,5 blijft. Bovendien moet de buis (het vat,..) voldoende wijd zijn om verstoringen van de laminaire stroming te voorkómen.Als je jouw laatste twee zinnen omdraait, staat er iets wat je zonder experiment ook wel weet: hoe grote de zinksnelheid, hoe groter de wrijving.Wat is nu theoretisch het antwoord op de onderzoeksvraag "Hoe hangt de valsnelheid van een kogeltje in glycerol af van de straal van het kogeltje?" als je afgaat op je formules? Verwacht je een lineair verband tussen D en v? Kwadratisch of nog anders? Kun je de zinksnelheid schrijven als een functie van r en verder alleen constanten?Veel plezier met de metingen,Jaap K
Dit topic is gesloten voor verdere reacties.