Вязкая жидкость. Формула Стокса.Турбулентное и ламинарное течение. Число Рейнольдса.

Вязкость (внутреннее трение) - это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев реальной жидкости относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев. Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила.

Силы внутреннего трения направлены вдоль соприкасающихся слоев и зависят от их относительных скоростей.

Ньютоном была установлена зависимость силы внутреннего трения от сопровождающих его явлений: F = h|Dv/Dx|s, где Dv/Dx - градиент скорости (Dx - расстояние между двумя соседними слоями, Dv - разность скоростей жидкости в двух соседних слоях), s - площадь соприкосновения двух соседних слоев, h - коэффициент вязкости, зависящий от природы жидкости и температуры (единица вязкости - паскаль-секунда [Па^.с]: 1 Па^.с равен вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем 1м/с, возникает сила внутреннего трения 1 Н на 1 м² поверхности касания слоев (1 Па^.с = 1 Н^.с/м²).

h -коэффициент динамической вязкости;

- коэффициент кинематической вязкости в .

Ламинарное (слоистое) течениежидкости - когда вдоль потока каждый выделенный слой скользит относительно соседних, не перемешиваясь с ними. Этот режим наблюдается при небольших скоростях движения жидкости: внешний слой жидкости, примыкающий к поверхности трубы, в которой она течет, из-за сил молекулярного сцепления прилипает к ней и остается неподвижным, а скорости последующих слоев тем больше, чем больше их расстояние до поверхности трубы и наибольшей скоростью обладает слой, движущийся вдоль оси трубы.

Турбулентное (вихревое) течениежидкости - когда вдоль потока происходит интенсивное вихреобразование и перемешивание жидкости. При этом режиме течения частицы жидкости приобретают составляющие скоростей, перпендикулярные течению и поэтому они могут переходить из одного слоя в другой. Скорость частиц жидкости быстро возрастает по мере удаления от поверхности трубы, затем изменяется незначительно. Так как частицы жидкости переходят из одного слоя в другой, то их скорости в различных слоях мало отличаются. Из-за большого градиента скоростей у поверхности трубы обычно происходит образование вихрей.

Характер течения зависит от безразмерной величины - числа РейнольдесаRe = <v>l/ h, где - плотность жидкости, <v> - средняя по сечению трубы скорость жидкости, l- перемещение жидкости по оси x..

При Re< 1000 наблюдается ламинарное течение, в области 1000<Re<2000 происходит переход к турбулентном течению, а при Re> 2300 для гладких труб наблюдается турбулентное течение. Если число Рейнольдса одинаково, то режим течения различных жидкостей в трубах различных сечений одинаков.

При движении тела в жидкости или газе с небольшими скоростями и малых Re сопротивление среды определяется силами трения и согласно Стоксу, эта сила пропорцианальна произведению динамической вязкости на линейные размеры тела и скорости движения тела в жидкости.

Если форма тела- шар, то сила сопротивления При движении падения шара в жидкости, то на него действуют: сила тяжести, выталкивающая сила и сила сопротивления в сторону противоположную движению. Когда силы выравниваются, то движение будет равномерным F₁ и F₂- постоянны; F₃ зависит от скорости.

Поверхностная энергия и натяжение. Капиллярные явления.

Поверхностная энергия

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности

.

Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр (Дж/м²).

Поверхностное натяжение

Равнодействующая сил, действующих на все молекулы, находящиеся на границе свободной поверхности, и есть сила поверхностного натяжения. В целом она действует так, что стремится сократить поверхность жидкости.

.

Согласно этой формуле единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является ньютон на метр (Н/м).

Коэффициент поверхностного натяжения σ численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. При увеличении температуры он уменьшается.

Капиллярные явления, физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К К. я. относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления Dp, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: Dp = p₁— p₂. = 2s₁₂/r, где (s₁₂ — поверхностное натяжение на границе двух сред; p₁ и p₂— давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде.