Hoofdstuk 3 : Viscositeit

Viscositeit
par. 1 Inleiding
Viscositeit is een eigenschap van vloeistoffen (en van gassen) die aangeeft hoe ondoordringbaar de vloeistof is voor een vast voorwerp.
Anders gezegd met de grootheid viscositeit wordt aangegeven hoe "stroperig" een vloeistof is.
De viscositeit van alcohol is dus laag, die van glas (glas is een vloeistof !) zeer hoog.
par. 2 De wet van Stokes.
vallende kogel in olie.wmv
We gaan uit van een ijzeren kogeltje dat door de olie beweegt.
De zwaartekracht is groter dan de opwaartse kracht : het kogeltje zinkt.
Op grond van de tweede wet van Newton zou je verwachten dat het kogeltje versneld omlaag gaat. Maar dat is niet zo.
De wrijvingskracht is volgens de wet van Stokes recht evenredig met de snelheid .
formule:
FW = 6. ..r.v
Hierin is
FW : de wrijvingskracht (N) die het kogeltje van de vloeistof ondervindt,
η : de viscositeit (Pa.s)
r: de straal van het kogeltje (m)
v: de (constante) snelheid (m/s) waarmee het kogeltje door de olie beweegt.
De snelheid zal net dus zo lang toenemen totdat de drie krachten die op het kogeltje werken elkaar in evenwicht houden. Als dat evenwicht is
bereikt valt het kogeltje met constante snelheid door de olie.
Stel de dichtheid van het kogeltje :ρk ,
en de dichtheid van de olie ρo.
De drie krachten zijn :
3
1.
Fz = mk.g = ρk.Vk.g = 4/3 π r
2.
Fopw = G verplaatste vloeistof = mvv .g= ρo.Vk.g
ρk. g
= 4/3 π r3ρo. g
3.
Fw = 6 π.η.r.v
De wet van Stokes.
Als er evenwicht is geldt:
F z = F opw + F w
Dit geeft, gecombineerd met de drie krachten-formules,
2 (  k -  o ).g.r 2
 = .
9
v
Bovenstaande formule stelt ons in staat om met een eenvoudige valproef de viscositeit van olie te bepalen.
Een van de toepassingen van bovenstaande theorie vinden we bij het bezinken van bloedcellen in het plasma.
Als t.g.v. bepaalde ziektes de cellen geklonterd zijn zal de bezinking sneller gaan
er geldt immers :
v is evenredig met r2.
De volgende link laat zien hoe de constante valsnelheid afhangt van de straal en van de viscositeit en dichtheid van de vloeistof en van de
dichtheid van het vallende kogeltje.
http://virtueelpracticumlokaal.nl/stokes_nl/stokes_nl.html
par. 3 Electroforese
Electroforese is een scheidingstechniek die o.a. wordt toegepast bij eiwitten in bloedserum.
De eiwitten worden aangebracht op een plaatje met een gel. Het plaatje bevindt zich tussen twee condensatorplaten waartussen een
spanningverschil heerst. De scheiding vindt plaats door de elektrische kracht die op de eiwitten werkt. Hierdoor komen de eiwitten in
beweging.
De elektrische kracht werkt uiteraard alleen op geladen eiwitten.
De beweging wordt tegengewerkt door de wrijvingskracht.
Volgens de wet van Stokes groeit de wrijvingskracht met de snelheid.
Er ontstaat een evenwicht tussen deze beide krachten bij een bepaalde snelheid v.
Fel = Fw
en dus:
q.V
= 6 . .r.v
d
In deze formule is q de lading van het eiwitmolekuul (C)
V het spanningsverschil.
d de afstand tussen de condensatorplaten (m)
η de viscositeit van de gel (Pa.s)
r de "straal" van de eiwitten die we gemakshalve als bolletjes opvatten. (m)
v de snelheid waarmee het eiwit door de gel beweegt (m/s)
De scheiding wordt veroorzaakt doordat de verschillende eiwitsoorten een verschillende snelheid krijgen. Zodat ze na een bepaalde tijd
(bijvoorbeeld: een kwartier) op een verschillende plaats op het plaatje zijn.
Voor de snelheid geldt:
q. U
v =
6 rd
Aangenomen dat de ladingen van de eiwitten gelijk zijn, zie je uit de formule hierboven dat de grote eiwitten (grote r) het langzaamst over het
plaatje gaan.
Na kleuring van het plaatje zie je donkere banden op de plaatsen waar de eiwitten zijn uitgekomen na hun "race". Als bepaalde eiwitsoort
oververtegenwoordigd is duidt dit op een ziekte.
Een elektroforeseplaatje
Oefenopgaven; Elektroforese en de wet van Stokes
Fw  6  r v
S
T
A
R
T
EIWIT 1
EIWIT 2
1.
Hierboven zie je een afbeelding van een electroforeseplaat Waarin eiwitten hebben bewogen.
a. Welke horizontale krachten werken op de eiwitten tijdens het bewegen?
b. Hoe verklaar je dat de eiwit 2 rechtser ligt dan eiwit 1?
a.
b.
c.
d.
Eiwit 2 bestaat uit grotere deeltjes
Eiwit 2 is sterker geladen
eiwit 2 heeft een lagere viscositeit
Eiwit 2 heeft een hogere spanning
waar / onwaar
waar / onwaar
waar / onwaar
waar / onwaar
2.
Wat is de symbool en de eenheid van viscositeit?
3.
Een bolletje heeft straal 1,53 mm.
Het kogeltje beweegt met een snelheid van 13,2 cm/s door
olijfolie.
a. Bereken de wrijvingskracht die het kogeltje ondervindt.
b. Welke andere krachten werken op het kogeltje?
13,2
cm/s
4
Hieronder zie je hoe eiwitten zich hebben verplaatst in een elektroforese cel.
De lading van de eiwitten zijn 1,6.10-19 C
Links is de startplaats rechts zie de positie na 10,0 minuten.
Bereken de snelheid van de eiwitten
Bereken de elektrische veldsterkte tussen de condensatorplaten.
De viscositeit van de gel op de elektroforese plaat is 125 Pa.s. Bereken de grootte ( de straal) van de eiwit moleculen.
10,0 cm
3,9 cm
150 V
5
v
In een aquarium bevindt zich water (dichtheid 1,00.10 3 kg/m 3 )
In het water stijgt een luchtbelletje met snelheid 2,10 cm/s .
De straal van het luchtbelletje is 0,500 cm.
De massa van het belletje mag je verwaarlozen.
Bereken de opwaartse kracht die op het belletje werkt.
De snelheid van het belletje is constant . Wat volgt hieruit voor de wrijvingskracht ?
Bereken de viscositeit van het water.