 | Вязкость жидких сред |  |
Вязкость жидких сред
Анимация Описание Вязкость жидкостей (внутреннее трение) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В рамках линейных модельных представлений о вязком течении жидкостей, предложенных И. Ньютоном (1687 г.) тангенциальная (касательная) сила F, вызываемая сдвигом слоев жидкости друг относительно друга, определяется в виде:  ,
где  - градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (см. рис. 1 ); h - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев. Величина  называется текучестью. Сдвиговое течение жидкости (течение Куэтта) 
Рис. 1 На рис. 1 приведена схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключенного между двумя твердыми пластинками, на которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью u0; u(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки. Наряду с динамической вязкостью часто используют кинематическую вязкость:  ,
где r - плотность жидкости. В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т вязкость нормальных жидкостей (т.н. ньютоновских жидкостей) - величина, не зависящая от градиента скорости. Вязкость обусловлена, в первую очередь, межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для "перескакивания" туда молекулы. На образование полости (на "рыхление" жидкости) расходуется так называемая активация вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры Т и понижением давления Р жидкости. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста ее при высоких давлениях. При повышении давления жидкости до нескольких тысяч атмосфер ее вязкость увеличивается в десятки и сотни раз. Строгой теории вязкости жидкостей до настоящего момента не создано, поэтому на практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул достаточно хорошо отражающих зависимость вязкости отдельных классов жидкостей и растворов от температуры и химического состава. При турбулентном течении жидкостей, когда число Рейнольдса (Re)і32300 (для круглых труб) формула Ньютона оказывается неприменимой. В этих многочисленных случаях используют различные эмпирические соотношения. Так, например, для плоскопараллельного осредненного турбулентного движения жидкости используют формулу Буссинеска:  ,
где  - касательные напряжения внутреннего трения в потоке жидкости; А - коэффициент турбулентного перемешивания (турбулентной вязкости), который в отличии от коэффициента молекулярной вязкости уже не является физической постоянной жидкости, а зависит от характера осредненного движения (z - расстояние от стенки). На основании полуэмпирической теории Прантдаля турбулентная вязкость определяется зависимостью:  ,
где l - путь перемешивания жидкости (турбулентный аналог длины свободного пробега молекул). Временные характеристики Время инициации (log to от -1 до 0); Время существования (log tc от 0 до 6); Время деградации (log td от -1 до 0); Время оптимального проявления (log tk от 1 до 5). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Техническая реализация эффекта Реализация - в соответствии с рис. 2. Затухающее движение объекта в вязкой жидкости 
Рис. 2 В воду погружается картофелина (что, как известно, обеспечивает нулевую пловучесть, то есть безразличное равновесие). Далее картофелину подтолкнуть и убедиться в затухающем характере ее поступательного движения. Если произвести (например, путем видеосъемки) измерения зависимости от времени смещения S в указанном поступательном движении, легко обнаружить, что движение затухает экспоненциально, что и соответствует затуханию под действием вязкой силы FVISC, пропорциональной скорости движения объекта. Применение эффекта Большинство течений жидкостей турбулентно как в природе (воды в реках, морях, водопадах и т.д.), так и в технических устройствах (трубах, каналах, струях, в пограничных слоях местных сопротивлений, резких изгибах профилей труб и т.п.) Именно благодаря большой интенсивности перемешивания жидкостей при турбулентном течении обеспечивается реализации повышенных режимов передачи количества движения, теплоты; ускоренному распространению химических реакций; способность жидкости нести взвешенные частицы; рассеивать звуковые и электромагнитные волны; создавать флуктуации их амплитуд и фаз, а в электропроводящей жидкости - генерировать флуктуирующее магнитное поле и т.д. Эффект вязкого трения учитывается при проектировании и перестройке технических объектов: гидротехнических сооружений, турбинных установок, нефтепроводных магистралей, насосов и т.д. Литература  1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- С.20, 231, 460. |