Внутренне трение, или вязкость

Свойство жидкости оказывать при своем движении сопротивление относительному сдвигу своих частиц известно под названием вязкости, или внутреннего трения жидкости. Вязкость жидкости является одним из наиболее существенных ее свойств. Это свойство обусловливается внутримолекулярным движением жидкости и проявляется в том, что при относительном перемещении одних слоев жидкости по отношению к соседним, вызывающем деформацию объема, в ней возникают силы трения. Огромнейшее влияние на развитие теории вязкости оказали работы русского ученого А. И. Бачинского (1877— 1944), еще в 1912 г. впервые установившего связь вязкости жидкости с ее удельным объемом (величиной, обратной удельному весу).

Дальнейшее развитие теория вязкости получила в трудах М. Ф. Широкова, Я. И. Френкеля, Г. М. Панченкова и др.

Силы трения обусловливают то, что слой жидкости, движущийся быстрее, увлекает слой жидкости, движущийся медленнее, и наоборот. Благодаря силам трения происходит преобразование механической энергии движущейся жидкости в тепловую.

Действие сил трения (значит, вязкости) можно наблюдать на следующем примере.

Начнем вращать цилиндрический сосуд с жидкостью около вертикальной оси. Через некоторый промежуток времени вся жидкость в сосуде придет во вращение: сначала в движение придут частицы у стенок сосуда, и постепенно движение передается благодаря силам трения остальным частицам.

Важно отметить, что после того как вся масса жидкости станет вращаться с одной и той же угловой скоростью, т. е. как твердое тело, силы трения между отдельными слоями обратятся в нуль.

Вязкость жидкости характеризуется коэффициентом вязкости. Для уяснения сущности этого коэффициента обратимся к частному случаю так называемого «ламинарного» движения в круглой трубе. В этом случае жидкость движется параллельными цилиндрическими слоями (рис. 2.1), причем скорость всюду имеет одно и то же направление, но уменьшается в направлении от оси трубы к стенкам.

Пусть dn — расстояние между двумя бесконечно близкими слоями; du — разность скоростей этих слоев. Согласно гипотезе Ньютона касательное напряжение , равное силе трения, приходящейся на единицу площади ([] = =н/м²) и возникающее между смежными слоями, пропорционально разности скоростей и обратно пропорционально расстоянию dn, т. е.

, (8)

Где - динамический коэффициент вязкости, или внутреннего трения, a du/dn - так называемый градиент скорости; эту величину можно рассматривать как угловую скорость скашивания прямого угла, образованного отрезком dn с осью потока.

Величину будем считать всегда положительной, поэтому в зависимости от знака du/dn в формуле (8) следует ставить знак плюс, когда du/dn положительно, и минус - когда оно отрицательно, что будет зависеть от закона изменения скоростей и выбора направления отсчета dn. Направление силы трения будет зависеть от того, \к чему считать ее приложенной. Например, при распределении скоростей, показанном на рис. 2.1, жидкость, окружающая заштрихованный цилиндр, действует на его боковую поверхность с силой трения, направленной в сторону, обратную движению. При рассмотрении же действия жидкости в цилиндре на поверхность окружающей его жидкости сила трения останется равной по величине, но уже будет направлена в сторону движения.

Рис.2.1. Возниконовение силы трения между смежными слоями

Гипотеза Ньютона была подтверждена опытами Кулона (1736—1806) лишь 100 лет спустя, а затем точнейшими опытами основоположника гидродинамической теории смазки Н.П. Петрова и стала, таким образом, законом внутреннего трения жидкости при ламинарном движении. В опытах Кулона не было обнаружено какого-либо влияния давления на величину коэффициента вязкости воды.

Позднейшие опыты, однако, показали, что в действительности это влияние существует, но становится заметным лишь при больших давлениях. Во многих технических задачах с большими давлениями не приходится встречаться, поэтому пренебрежение влиянием давления на вязкость в этих случаях для инженерной практики вполне оправдано.

Коэффициент при постоянной температуре представляет собой для каждой жидкости величину, практически не зависящую от градиента скорости. Независимость величины была проверена для значений градиента скорости du/dn в пределах (0,05-5) • 10³ м/сек/м.

Таким образом, динамический коэффициент вязкости |является вполне определенной физической характеристикой любой жидкости (за исключением коллоидов и некоторых суспензий, для которых зависит от du/dn).

Динамический коэффициент вязкости жидкости изменяется также и с изменением температуры. Так, например, по современным данным для воды имеет следующие значения:

Таблица 2.3

Зависимость от температуры

t° C
10^4 , н·с/м^2	17,92	13,04	10,04	8,00

Как видим, с увеличением температуры коэффициент вязкости значительно уменьшается.Эти значения довольно хорошо укладываются в формулу, данную Пуазейлем в первой половине прошлого столетия:

(9)

где t — температура, °С; — динамический коэффициент вязкости.воды при t = 0°С.

Касательные напряжения в различных жидкостях, движущихся ламинарно с одним и тем же градиентом скорости, относятся, как соответствующие значения .

Отношение динамического коэффициента к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязкости , м²/сек.

, м²/с (10)

Это название коэффициент получил благодаря своей размерности, в которую входят только кинематические характеристики.

В табл. 2.4 приведены числовые значения кинематического коэффициента вязкости для воды при различной температуре

Таблица 2.4

Значения кинематического коэффициента вязкости

t, °С	, см^2/сек	t, °С	, см^2/сек	t, °С	, см^2/сек
	0,0178 0,0152 0,0131		0,0124 0,0114 0,0101		0,0.081 0,0066 0,0055

Отметим в заключение, что по мере накопления экспериментального материала по вязкости создавалась и ее теория, преимущественно трудами русских ученых. К настоящему времени мы имеем хорошо согласованные с опытом теоретические формулы для коэффициентов вязкости.

Необходимокроме того, отметить, что для случаев движения пульпы, глиняных растворов, гидроторфа, нефти (при температурах, близких к температуре застывания), формула (8) должна быть дополнена добавочным членом - называемым «напряжением сдвига». Формула (8) в этих случаях принимает вид

(11)

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона (8), называются часто Ньютоновскими жидкостями в отличие от жидкостей, подчиняющихся формуле (11).

5. Капиллярность, поглощение газов жидкостями

Известно, что свободная поверхность жидкости, т. е. поверхность жидкости на границе с газом или поверхность на границе двух неперемешивающихся жидкостей, находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение характеризуется силой поверхностного натяжения, отнесенной к единице длины «образующей линии» свободной поверхности, так называемым коэффициентом поверхностного натяжения , зависящим только от природы жидкости (газа) и ее температуры. Для воды, находящейся в соприкосновении с воздухом, при 20° С (= 0,0726 н/м). С увеличением температуры значение уменьшается. Для ртути при тех же условиях = 0,540 н/м, т. е. почти в 7,5 раза больше.

В большинстве гидравлических процессов влиянием поверхностного натяжения ввиду его малости пренебрегают. Необходимость его учета возникает лишь в том случае, если свободная поверхность жидкости приобретает заметную кривизну, так как в этом случае силы поверхностного натяжения сказываются на давлении в жидкости. Действием поверхностного натяжения объясняется так называемое капиллярное поднятие жидкости (если жидкость смачивающая) или опускание (если жидкость несмачивающая) в трубках малого диаметра. Способность жидкости подниматься или опускаться в трубках малого диаметра под действием сил поверхностного натяжения называется капиллярностью.

Для воды при t= 20 °C зависимость высоты капиллярного поднятия h {мм) в стеклянной трубке от ее диаметра d (мм) определяется формулой

hd = 30 мм² (12)

Для ртути при t = 20° С зависимость между величиной опускания h (мм) и диаметром d (мм) дается в виде

hd = 10,15 мм² (13)

Высоту капиллярного поднятия приходится иногда учитывать также при подземной фильтрации жидкости.

Жидкости обладают способностью поглощать и растворять соприкасающиеся с ними газы. Такое явление называется абсорбцией. При этом весовое количество растворенного (абсорбированного) газа изменяется при данной температуре (пропорционально давлению жидкости, оставаясь по объему практически постоянным (закон Генри).

Вода в природном состоянии всегда содержит известное количество растворенного воздуха: при обычной температуре и нормальном атмосферном давлении оно составляет около 2% объема воды. При уменьшении давления соответствующая часть растворенного воздуха выделяется из жидкости. Чем больше снижение давления, тем более бурно происходит выделение воздуха; при этом образуются и пары жидкости. Вода приходит в состояние холодного «кипения», нарушается ее сплошность и образуется своего рода эмульсия, обладающая гораздо большей сжимаемостью и совершенно отличными от прежнего физическими и механическими свойствами. Это явление бывает чаще всего на поверхности быстро движущихся в воде частей механизмов, в тех местах потока жидкости, где давление понижается до некоторого критического, например у лопастей гребных винтов, лопаток турбин и насосов, и известно под названием гидродинамической кавитации, борьба с которой является одной из существенных технических задач. В результате кавитацион-ных явлений происходят механическое разрушение металлических деталей гидромашин (кавитационная эрозия), срыв работы насосов, уменьшение производительности трубопроводов и т. п.

Выделение воздуха и парообразование могут происходить и при давлениях, больших атмосферного, если температура воды увеличивается или вода слишком аэрирована. Это часто служит причиной образования воздушных «пробок» в длинных трубопроводах; выделяемый воздух и пары жидкости накапливаются в их наиболее высоких местах и могут затруднить или даже совсем прекратить движение воды.

К выделению воздуха и паров приводит также внезапное возникновение движения по трубам при очень быстром открытии задвижки или крана, когда происходит так называемый гидравлический удар.

Кавитации подвержены и другие жидкости.

Дата добавления: 2014-01-11