Поняття про в’язкість середовища

Залежність швидкості течії від радіуса труби   Рис. 21

В’язкість (або внутрішнє тертя) – це явище виникнення сил, які перешкоджають переміщенню частин середовища (рідини; газу) одна відносно одної.

Такі сили протидії називаються силами внутрішнього тертя або силами в’язкості.

Вони:

1) прагнуть вирівняти швидкості руху частин середовища (рідини; газу) однієї відносно одної;

2) мають складну залежність від швидкості руху тіла у середовищі;

3) визначаються характером руху частин середовища однієї відносно одної і властивостями самого середовища.

Рух середовища називають усталеним або ламінарним, якщо швидкість течії у кожній точці простору не змінюється з часом. При ламінарній течії рідини в циліндричній трубі максимальну швидкість має рідина, яка рухається по осі труби, а безпосередньо біля стінок швидкість течії дорівнює нулю. При цьому вся рідина розбивається на циліндричні шари, швидкість течії яких вздовж труби спадає у напрямі від центра труби до її стінок. Отже, при ламінарній течії тертя між трубою і рідиною немає, бо шару рідини біля стінок труби немає, а існує лише внутрішнє тертя зумовлене в’язкістю самої рідини.

Сила внутрішнього тертя в залежності від відносної швидкості переміщення шарів рідини , їх площі S і відстані l між ними визначається за законом Ньютона для внутрішнього тертя:

; (39)

де – коефіцієнт в’язкості визначається як сила внутрішнього тертя, що виникає між двома шарами рідини площею перекривання 1м², що рухаються з відносною швидкістю 1м/с на відстані 1м один від одного.

В’язкість рідини зменшується при нагріванні, у газу – навпаки. Причина цього – у різниці механізмів в’язкості у рідині і газі.

Практичне значення знань про в’язкість:

1. треба враховувати при перекачуванні газів і рідин по трубах;

2. має велике значення при розрахунку змащування деталей машин;

3. визначає процес вироблення певних речовин (наприклад, скла).

 

4. Явища на межі рідини з твердим тілом

1. Змочування – явище, яке виникає під час зіткнення рідини з поверхнею твердого тіла або іншої рідини. Виражається у розпливанні рідини по твердій поверхні.

2. Кількісна характеристика змочування – крайовий кут Θ – утворюється площиною твердого тіла і площиною, дотичною до вільної поверхні рідини з вершиною у точці А, де межують рідина, тверде тіло і газоподібне середовище.

3. Поведінка рідини на поверхні твердого тіла залежить від взаємодії молекул рідини і твердого тіла.

Якщо молекули рідини притягуються сильніше до молекул твердого тіла, ніж між собою, то рідина змочує тверде тіло (рис. 22, а).

 

а б

Рис. 22

Умова змочування: 90^o < Θ < 0^o

Повне змочування: Θ=0^o

Приклади: вода змочує скло; ртуть змочує метал

Якщо молекули рідини притягуються сильніше між собою, то рідина не змочує тверде тіло (рис. 22, б).

Умова незмочування: 180^o > Θ > 90^o

Повне незмочування: Θ=180^o

Приклади: вода не змочує парафін, ртуть не змочує скло.

Прояви та використання

1. Змочування: к леєння, паяння, фарбування, змащування тертьових поверхонь.

2. Незмочування:

· воскова поверхня на листках, фруктах, соломі запобігає гниттю;

· змащення жиром пір’я водоплаваючих птахів допомагає їм утримуватись на воді;

·

а б   Рис. 23

флотація (спливання) – відокремлення цінної породи від пустої.

 

5. Капілярний (лапласівський) тиск

Викривлена поверхня рідини у посудині називається меніском. Оскільки площа вільної поверхні рідини більша за площу перерізу посудини, то внаслідок дії молекулярних сил вона намагається випрямитись, що зумовлює появу додаткового тиску, який називають капілярним. Сили цього тиску напрямлені вгору, якщо рідина змочуюча (рис. 23, а), і вниз, – якщо рідина незмочуюча (рис. 23, б).

Величину цього тиску визначив П.Лаплас, тому його часто називають лапласівським тиском. Для сферичної форми вільної поверхні рідини з радіусом R тиск Лапласа визначається за формулою

Рис. 24     Рис. 25     Рис. 26

(40)

6. Капілярні явища

Викривлення поверхні у тонких трубках призводять до позірного порушення закону сполучених посудин. Тонкі трубки (d < 1мм), в яких рідина внаслідок, змочування (незмочування) піднімається (опускається) (рис. 24), називаються капілярними, а саме явище піднімання (або опускання) рідини в них – капілярністю. Це явище пояснюєтьсядією тиску Лапласа.

Рідина піднімається (або опускається) у капілярі до тих пір, поки гідростатичний тиск р = ρgh стовпа рідини висотою h у капілярі радіусом r не компенсує лапласівський тиск р_л:

,

де R = r/cosΘ – радіус меніска (рис. 25). Звідки висота піднімання рідини

(41)

Явище капілярності спостерігаються й також у вузьких щілинах, наприклад, між двома близько розміщеними пластинами, поставленими паралельно або під кутом (рис. 26).

Прояви і використання капілярності:

Живлення рослин; процес кровообігу тварин і людини; рух води у ґрунті; будівельна практика; використання у сушінні овочів та фруктів; у побуті (використання серветок, рушників, марлі).