Viscosímetro de Stokes e Viscosímetro Copo Ford
EXPERIMENTO 04 – VISCOSÍMETROS: STOKES E COPO FORD
EM783 – Laboratório de Calor e Fluidos I – 1o Semestre de 2020
Turmas A e B: Prof. Dr. Waldir Antonio Bizzo / PED Enga. Quiara Abrantes Morelo
Turmas C e D: Prof. Dr. Marcelo Souza de Castro / PED Engo. Rodolfo Marcilli Perissinotto
1. OBJETIVO
Resolução de um problema relativo à determinação de viscosidades de fluidos a partir da utilização de viscosímetros disponíveis no laboratório.
2. VISCOSÍMETRO DE STOKES
Essencialmente, o viscosímetro de Stokes é um tubo vertical, com paredes transparentes, preenchido com fluido em repouso. No laboratório há dois viscosímetros de Stokes, conforme Figura 1. O diâmetro de cada tubo deve ser determinado com um paquímetro disponível no laboratório.
Figura 1. Viscosímetros de Stokes existentes no laboratório.
A medição da viscosidade é feita com o uso de uma esfera de aço com densidade ρs = 7850 kg/m3. O diâmetro da esfera deve ser medido com um micrômetro disponível no laboratório. Os viscosímetros possuem pares de marcas espaçadas de 1 metro entre si para auxiliar na determinação do deslocamento vertical da esfera nos tubos. Um cronômetro pode ser usado para estimar o tempo da queda da esfera.
No laboratório existem várias esferas com diversos diâmetros para uso neste experimento e, portanto, o grupo é responsável por escolher a esfera mais indicada para cada um dos fluidos.
O laboratório possui densímetros para medir a densidade dos fluidos utilizados. Recomenda-se muita atenção com a escala do densímetro: é importante observar que o maior valor da densidade está na parte inferior da escala, e não na parte superior!
Sabe-se que a viscosidade varia muito com a temperatura, especialmente no caso da glicerina e dos óleos investigados neste experimento. Então, é muito importante lembrar de registrar a temperatura e de associá-la à viscosidade medida!
3. VISCOSÍMETRO COPO FORD
No copo Ford, mostrado na Figura 2, infere-se a viscosidade do fluido a partir da medida do tempo necessário para esvaziar o reservatório. É um método simples, rápido, muito vantajoso para aplicações industriais, pois funciona com pequenos volumes de fluido. Apesar de medir somente as viscosidades de fluidos na temperatura ambiente, o copo Ford é bastante adequado para os líquidos que “sujam” ou “aderem” em superfícies, como tintas e vernizes, dada a elevada facilidade de limpeza do reservatório, geralmente constituído de material metálico.
Figura 2. Fotografia e representação esquemática do Copo Ford e do seu orifício.
A Figura 2 também contém as dimensões do copo Ford utilizado no experimento (nº 3) e os principais detalhes do orifício do viscosímetro, chamado popularmente de “glichê”.
Similarmente ao caso do viscosímetro capilar, o princípio de funcionamento do copo Ford baseia-se na equação de Poiseuille. Como primeira aproximação, pode-se supor um regime de escoamento “quase-permanente” durante o esvaziamento do copo, desprezando quaisquer perdas. Desse modo, somente as perdas no escoamento através do orifício, onde a velocidade é maior, são consideradas no modelo.
Como resultado, a equação para obtenção da viscosidade cinemática pelo Copo Ford é dada por:
Onde t é o tempo de esvaziamento, g é a aceleração da gravidade, D é o diâmetro do orifício, AT é a área transversal do copo, L é o comprimento do orifício, hf é a altura final e h0 é a altura inicial do fluido no interior do copo. Para medir hf e h0, a saída do orifício deve ser tomada como referência.
Procedimento
Primeiramente, fecha-se o orifício do copo Ford com o dedo e enche-se o reservatório com o fluido. Um béquer é posicionado embaixo do orifício. Então, o excesso de fluido é eliminado no topo do copo, onde uma tampa é colocada. Em seguida, prepara-se o cronômetro, que é ativado ao mesmo tempo em que a tampa é removida do topo e/ou o dedo é removido do orifício. Nesse momento, o fluido começa a escoar no béquer, formando um filme contínuo que passa através do orifício. A contagem do tempo é finalizada quando o filme de líquido sofre a primeira interrupção, ou seja, quando o escoamento muda de contínuo para intermitente. Nesse instante, deve-se fechar novamente o orifício do copo Ford com a tampa e/ou com o dedo. Tem-se, portanto, a altura final de líquido.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FOX, R., PRITCHARD, P., MCDONALD, A., Introdução à Mecânica dos Fluidos, 7a ed., LTC, 2010.
WHITE, F., Viscous Fluid Flow, 3a ed., McGraw-Hill, 2006.
BRODKEY, R., The Phenomena of Fluid Motions, 2a ed., Dover Publications, 1995.
FUNG, Y., A First Course in Continuum Mechanics, 3a ed., Pearson, 1993.
TENNEKES, H., LUMLEY, J., A First Course in Turbulence, MIT Press, 1972.
Observação: Este documento baseia-se no roteiro escrito em 2019 pelos PEDs Me. Leandro Alves Moya e Me. Natan Augusto Vieira Bulgarelli.