🍯

Lab 104 — ความหนืด: ลูกเหล็กตกในของเหลว (กฎของสโตกส์) (3D)

Viscosity (Falling Ball) — ปล่อยลูกเหล็กขนาดต่าง ๆ ลงในกระบอกกลีเซอรีน ลากวงแหวนประตูแสงสองวงไปวางตามสเกล อ่านระยะระหว่างประตูและเวลาจากตัวจับเวลา · หาความเร็วปลาย v = d/t · กราฟ v – r² ความชัน = 2g(ρs − ρf)/(9η) · หาความหนืดของน้ำมันปริศนา X

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: ตำแหน่งประตูแสงบน–ล่างบนสเกลข้างกระบอก (ระยะ d) · เวลาที่ลูกตกผ่านระหว่างประตู t (ตัวจับเวลา 0.01 s) · เส้นผ่านศูนย์กลางลูกทราบค่า — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 ลากวงแหวนประตูแสงขึ้น-ลงตามกระบอก · แตะลูกเหล็กบนถาดเพื่อปล่อยลงกระบอก
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = ลาก/หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ
📝 บันทึกผลการวัด
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและค่าปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
⚪ ลูกที่ปล่อย
เหล็ก ρs = 7800 kg/m³ · แก้ว ρs = 2500 kg/m³ · เส้นผ่านศูนย์กลางวัดด้วยไมโครมิเตอร์แล้ว
🍯 ของเหลวในกระบอก
ทราบความหนาแน่นของของเหลว แต่ไม่ทราบความหนืด (หาเอง) · กระบอกกว้างมากเมื่อเทียบกับลูก (ไม่คิดผลของผนัง)
📏 ประตูแสง
ลูก
—
ตัวจับเวลา
—
ตัวจับเวลาเริ่มนับเมื่อลูกตัดลำแสงประตูบน และหยุดที่ประตูล่าง · ลูกเล็กตกช้ามาก ให้วางประตูใกล้กัน (เช่น 10 cm) · ผิวของเหลวอยู่ที่ 50 cm
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก
📋 ตารางบันทึกผล
📈 กราฟ v – r² (ลูกเหล็ก)
🎯 ตรวจคำตอบ
ความหนืดของน้ำมัน X = Pa·s
ถือว่าถูกเมื่อคลาดไม่เกิน 5% · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. อธิบายว่าวัตถุที่ตกในของเหลวหนืดจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว (ความเร็วปลาย) เมื่อแรงต้านหนืดรวมกับแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนัก
  2. วัดความเร็วปลายของลูกเหล็กขนาดต่าง ๆ และแสดงว่าความเร็วปลายแปรผันตรงกับ r²
  3. หาความหนืดของของเหลวจากความชันของกราฟ v – r² ด้วยกฎของสโตกส์
  4. หาความหนืดของน้ำมันปริศนา X

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

  1. ลากประตูแสงบนไปไว้ต่ำกว่าผิวของเหลวอย่างน้อย 5 cm (ให้ลูกถึงความเร็วปลายก่อน) และประตูล่างห่างลงไป · กด 📏 ประตูบน / ล่าง อ่านตำแหน่งจากสเกล
  2. กด ⚪ ปล่อยลูก (หรือแตะลูกบนถาด) รอลูกผ่านประตูล่าง · กด ⏱ ตัวจับเวลา อ่านเวลา · บันทึก
  3. ทำซ้ำกับลูกเหล็กทุกขนาดในกลีเซอรีน · ดูกราฟ v – r² ความชัน = 2g(ρs − ρf)/(9η) → η
  4. ทดลองลูกแก้ว 4 mm เทียบกับลูกเหล็ก 4 mm
  5. เปลี่ยนเป็นน้ำมันปริศนา X วัดลูกเหล็กอย่างน้อย 3 ขนาด แล้วหา ηX
⚠️ อ่านตำแหน่งประตูและเวลาจากภาพ 3D เอง — โหมดวัดค่าเองไม่บอกตัวเลข · ลูกขนาดเล็กตกช้ามาก (ราว 1 cm/s ในกลีเซอรีน) ให้วางประตูใกล้กันและรออย่างใจเย็น · กด 🧲 ดึงลูกออก ก่อนปล่อยลูกถัดไป

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

ลูก | d (mm) | r² (mm²) | ประตูบน (cm) | ประตูล่าง (cm) | ระยะ (cm) | t (s) | v = ระยะ/t (cm/s) | η = 2r²g(ρs − ρf)/(9v)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ทำไมลูกเหล็กจึงตกด้วยความเร็วคงตัว ไม่เร่งขึ้นเรื่อย ๆ เหมือนตกในอากาศ
  2. ลูกใหญ่ขึ้น 2 เท่า ความเร็วปลายเพิ่มกี่เท่า
  3. ลูกแก้วกับลูกเหล็กขนาดเท่ากัน ลูกไหนตกเร็วกว่า เพราะเหตุใด
  4. ถ้าอุ่นกลีเซอรีนให้ร้อนขึ้น ลูกจะตกเร็วขึ้นหรือช้าลง

1. แรงที่กระทำต่อลูกที่ตกในของเหลว

น้ำหนัก W = (4/3)πr³ρsg · แรงลอยตัว FB = (4/3)πr³ρfg · แรงต้านหนืด (กฎของสโตกส์) FD = 6πηrv
ความเร็วปลาย (แรงลัพธ์ = 0): 6πηrvt = (4/3)πr³(ρs − ρf)g
vt = 2r²g(ρs − ρf) / (9η)

2. กราฟ v – r²

กราฟ vt กับ r² เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด · ความชัน k = 2g(ρs − ρf)/(9η)
η = 2g(ρs − ρf)/(9k) (ใช้หน่วย SI: r ในหน่วย m, v ในหน่วย m/s)
💡 แบบจำลอง: g = 9.8 m/s² · กฎของสโตกส์ใช้ได้เมื่อการไหลรอบลูกเป็นแบบราบเรียบ (เลขเรย์โนลด์ต่ำ) ซึ่งเป็นจริงในแลปนี้ · ลูกเร่งจากหยุดนิ่งตาม m dv/dt = W − FB − FD (ถึงความเร็วปลายในระยะไม่กี่มิลลิเมตร) · ไม่คิดผลของผนังกระบอกและก้นกระบอก · ความหนืด 20 °C: กลีเซอรีน ≈ 1.4 · น้ำมันละหุ่ง ≈ 1.0 Pa·s · ความหนืดของน้ำมัน X สุ่มต่อการเปิดหน้า