В’язкість (внутрішнє тертя)
В'язкість - це властивість рідин чинити опір своєму переміщенню. Сила внутрішнього тертя F залежить від площі поверхні шару S. і від того, як швидко змінюється швидкість течії рідини при переході від шару до шару. Якщо два шари, відстоять один від одного на відстані D х і рухаються зі скоростяміv1 і v2. Величина Dv / Dx показує, як змінюється швидкість при переході від шару до шару в напрямку х, перпендикулярному напрямку руху шарів. Модуль сили внутрішнього тертя
де коефіцієнт h, що залежить від природи рідини, називають динамічною в'язкістю. В'язкість залежить від температури. Цей закон в'язкої течії був встановлений І. Ньютоном.
В'язкість (внутрішнє тертя) - це властивість реальних рідин чинити опору-ня переміщенню однієї частини рідини відносно іншої. При переміщенні одних верств реальної рідини щодо інших виникають сили внутрішнього тертя, спрямовані по дотичній до поверхні шарів. Дія цих сил проявля-ється в тому, що з боку шару, що рухається швидше, на шар, що рухається повільний-неї, діє прискорювальна сила. З боку ж шару, що рухається повільніше, на шар, що рухається швидше, діє гальмівна сила.
Сила внутрішнього тертя F тим більше, чим більше розглянута площа поверхні шару S (рис.), І залежить від того, наскільки швидко змінюється швидкість течії рідини при переході від шару до шару. На малюнку представлені два шари, віддалені один від одного на відстані Dx і рухаються зі швидкостями v1 і v2. При цьому v1 -v2 = Dv. Напрямок, в якому відраховується відстань між шарами, перпендикулярно швидкості течії шарів. Величина (# 916; v / # 916; х) показує, як швидко змінюється швидкість при переході від шару до шару в напрямку х, перпендикулярному направле-ня руху шарів, і називається градієнтом швидкості.
Одиниця в'язкості - паскаль-секунда (Па × с): 1 Па × с дорівнює динамічної в'язкості середовища, в якій при ламінарному плині і градієнті швидкості з модулем, рівним 1 м / с на 1 м, виникає сила внутрішнього тертя 1 Н на 1 м 2 поверхні торкання шарів (1 Па × с = 1 Н × с / м 2).
Чим більше в'язкість, тим сильніше рідина відрізняється від ідеальної, тим більша потуга внутрішнього тертя в ній виникають. В'язкість залежить від температури, причому характер цієї залежності для рідин і газів різний (для рідин h з збільшен-ням температури зменшується, у газів, навпаки, збільшується), що вказує на відмінність в них механізмів внутрішнього тертя. Особливо сильно від температури залежить в'язкість масел. Наприклад, в'язкість касторової олії в інтервалі
18-40 ° С падає в чотири рази. український фізик П. Л. Капіца (1894-1984; Нобелівська пре-мія 1978 г.) відкрив, що при температурі 2,17 К рідкий гелій переходить в понад-текучий стан, в якому його в'язкість дорівнює нулю.
Існує два режими течії рідин. Перебіг називається ламінарним (слоіс-тим), якщо уздовж потоку кожен виділений тонкий шар ковзає щодо сусідніх, що не змішуючись з ними, і турбулентним (вихровим), якщо уздовж потоку відбувається інтенсивне вихреобразование і перемішування рідини (газу).
Ламінарний плин рідини спостерігається при невеликих швидкостях її руху. Зовнішній шар рідини, що примикає до поверхні труби, в якій вона тече, через сил молекулярного зчеплення прилипає до неї і не крутиться. Скоро-сти наступних шарів тим більше, чим більше їх відстань до поверхні труби, і найбільшою швидкістю володіє шар, який рухається уздовж осі труби.
При турбулентному плині частки рідини набувають складові скоро-стей, перпендикулярні течією, тому вони можуть переходити з одного шару в інший. Швидкість частинок рідини швидко зростає в міру віддалення від поверх-ності труби, потім змінюється досить незначно. Так як частинки рідини переходять з одного шару в інший, то їх швидкості в різних шарах мало відрізняють-ся. Через велику градієнта швидкостей у поверхні труби зазвичай відбувається утворення вихрів.
Профіль усередненої швидкості при турбулентному плині в трубах (рис.) Відрізняється від параболічного профілю при ламінарному плині більш швидким зростанням швидкості під стінами труби і меншою кривизною в центральній частині течії. Характер перебігу залежить від безрозмірною величини, називаемойчіслом Рейнольдса (О. Рейнольдс (1842-1912) - англійський вчений): Re = (# 961;
Робота зовнішньої сили F, що врівноважує в'язкий опір і підтримує усталене протягом, повністю переходить в теплоту. У трубі швидкість рідини дорівнює нулю близько стінок і змінюється до центру за законом v = v0 (1 - r 2 / R 2). На одиницю поверхні (циліндричної) діє сила тертя Fтр. = # 951; (dv / dr) = # 951; (2v0 r / R 2). З редняя швидкість ламінарної течії рідини в трубі дорівнює v0 = - R 2/8 # 951; grad (p), (17.3)
А обсяг рідини, що протікає в трубі, дорівнює:
Поряд з динамічною в'язкістю h часто розглядають так звану кінематичну в'язкість n = h / r, (17.6.)
де r - щільність рідини або газу. Одиницями кінематичної в'язкості служать, відповідно м 2 / сек. Для в'язкості ідеальних газів в молекулярно-кінетичної теорії дається наступне співвідношення: # 951; = (1/3) mnu # 955 ;, (17.7.)
де m - маса молекули, n - число молекул в одиниці об'єму, u - середня швидкість молекул і l - довжина вільного пробігу молекули між двома зіткненнями її з іншими молекулами. Так як u зростає з підвищенням температури Т (дещо зростає також і l), то в'язкість газів збільшується при нагріванні (пропорційно √T).
17,3. Метод визначення в'язкості Стокса.
Цей метод визначення в'язкості заснований на вимірюванні швидкості повільно рухаються в рідині невеликих тел сферичної форми. На кульку, що падає в рідині вертикально вниз, діють три сили: сила тяжіння Р = 4/3 pr 3 rg (r - густина кульки), сила Архімеда Р = 4/3 pr 3 r'g (r '- щільність рідини ) і сила опору, емпірично встановлена Дж. Стоксом: F = 6phrv, де r - радіус кульки, v - його швидкість. При рівномірному русі кульки V = [2 (r - r 1) gr 3] / 9h. Вимірявши швидкість рівномірного руху кульки, можна визначити в'язкість жид-кістки (газу).