Вязкость. Ламинарный и турбулентный режим течения

Свойства жидкости, связанные с наличием сил внутреннего трения, называются вязкостью.

И. Ньютон дал выражение для силы внутреннего трения:

 

, (174)

где ∆v – разность скоростей слоев;

S – площадь соприкосновения;

∆n – расстояние между слоями;

η – коэффициент динамической вязкости (вязкость).

Если слои бесконечно близки, то:

,

где называется градиентом скорости, который характеризует быстроту изменения величины скорости в направлении нормали к поверхности слоев.

[η] = кг/м·с в СИ; [η] = г/см·с = Пуаз (Пз) – внесистемная единица.

η зависит от температуры жидкости (с ростом температуры уменьшается).

Модель жидкости, сжимаемостью и вязкостью которой пренебрегают, называется идеальной жидкостью.

Всякая реальная жидкость обладает сжимаемостью и вязкостью. Для решения задач о движении реальной жидкости гидродинамика пока не имеет общих теоретических методов.

При течении жидкости наблюдаются два ее вида течения:

а) ламинарное (пластинчатое) – движение жидкости параллельными слоями, не перемешиваясь;

б) турбулентное (вихревое) – частицы жидкости движутся по искривленным, случайно изменяющимся во времени траекториям.

Характер изменения скорости течения в потоках можно представить схемами средних скоростей:

ламинарное	турбулентное
Рис. 134	Рис. 135

При ламинарном движении:

1. Жидкость движется слоями и скорости в каждом сечении параллельны друг другу.

2. Скорости частиц по диаметру сечения меняются по параболическому закону.

 

При турбулентном движении:

1. Частицы жидкости движутся по случайным траекториям.

2. Средняя скорость частиц резко меняется у границ стенок и почти не меняется вдали от границ потока.

Опыт 8.3. Смерч в воронке с водой

Цель работы: продемонстрировать опыт вытекания жидкости из сосуда с отверстием в дне.

Оборудование:

1. Воронка.

2. Вода.

 

 

Рис. 136. Воронка с водой

 

Ход работы

Известно, что вытекание жидкости из сосуда с отверстием в дне, например из ванны, неустойчиво по отношению к образованию вихрей. Особенно хорошо этот эффект можно продемонстрировать на примере вытекания жидкости из воронки с водой.

1. Заполним воронку, заткнутую снизу, водой. Если при заполнении обеспечить вращение жидкости с некоторой скоростью вокруг оси воронки, то образование вихря при вытекании жидкости будет облегчено.

2. Заполнили воронку, закрыли воду.

3. Открываем нижнее отверстие. Мы наблюдаем, как развивается вихревой процесс. Вихрь, образовавшийся в воронке, очень напоминает те смерчи, которые часто образуются в плохую погоду во время урагана.

4. Наблюдаем образование вихря в воронке с водой сверху.

5. Затыкаем воронку, напускаем в нее воду, слегка закручивая воду в воронке при напускании.

6. Закрываем воду, открываем отверстие в воронке. Образуется вихрь.

 

Вывод: продемонстрировали опыт. Вытекание жидкости из сосуда с отверстием в дне, неустойчиво по отношению к образованию вихрей.