Вязкость жидкости. Формула Ньютона

Ламинарным называется течение жидкости, при котором жидкость движется в виде отдельных слоев, причем каждый слой движется со скоростью, отличной от соседних. Пример: ламинарный поток жидкости в цилиндрической трубке (рис. 8.6).

Вязкость (внутреннее трение) - это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одних слоев жидкости относительно других. Причиной вязкости является межмолекулярное взаимодействие частиц жидкости и их тепловое движение.

Рассмотрим ламинарный поток жидкости между двумя параллельными пластинами (рис. 8.7). Нижняя пластина неподвижна, а верхняя движется по поверхности жидкости со скоростью . Слой жидкости, соприкасающийся с верхней пластиной, будет прилипать к ней и двигаться с той же скоростью , что и пластина. Этот верхний слой за счет межмолекулярного взаимодействия между частицами жидкости влияет на нижележащий, заставляя его двигаться, но уже с меньшей скоростью и т.д. Самый нижний слой остается неподвижным, т.к. прилипает к нижней пластине.

Предел отношения разности скоростей течения двух близких слоев жидкости  к расстоянию , на котором происходит это изменение, при  называется градиентом скорости:

 

,    .

 

Согласно формуле Ньютона сила внутреннего трения  пропорциональна площади S соприкасающихся слоев и градиенту скорости :

 

,

 

где коэффициент пропорциональности  - коэффициент вязкости.

Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равен силе трения между слоями жидкости, соприкасающимися поверхностями единичной площади при единичном градиенте скорости

 

, .

 

Рис. 8.6	Рис. 8.7

 

Сила, приходящаяся на единицу площади соприкасающихся слоев, называется касательным напряжением трения:

 

,   .

Используя введенный термин, формулу Ньютона можно представить следующим образом:

 

.

 

По вязким свойствам жидкости делятся на два вида: ньютоновские и неньютоновские. Ньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит только от ее природы и температуры. Для таких жидкостей коэффициент вязкости в формуле Ньютона является постоянным параметром. В качестве примеров можно назвать воду, низкомолекулярные органические соединения.

Неньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит не только от природы жидкости, но и от условий течения, например, от размера трубки и объемной скорости потока. К неньютоновским жидкостям относятся среды, состоящие из сложных и крупных частиц, образующих пространственные структуры; это так называемые структурированные жидкости. Чтобы слои структурированной жидкости могли перемещаться относительно друг друга, необходимо разорвать межмолекулярные связи между ближайшими слоями.