Вязкость жидкости. Закон Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости

В реальных жидкостях всегда существуют силы трения. В отличие от твёрдых тел, где силы трения действуют между двумя разными телами, в жидкостях силы трения возникают внутри жидкости (между разными её слоями). Поэтому трение в жидкостях называют внутренним трением или вязкостью (эти термины являются синонимами).

Рассмотрим два слоя жидкости, движущиеся с разными скоростями (рис. 4). Расстояние между слоями равно х.

S

SSs v ₁

Х v ₂ Рис. 4

Выделим в каждом слое площадку с площадью S. Ньютон показал, что сила трения между этими слоями равна: (знак „минус" показывает, что сила трения направлена навстречу движению). Эта формула носит название формулы Ньютона.

Коэффициент (эта) называется коэффициентом вязкости или просто вязкостью (реже говорят „коэффициент внутреннего трения"). Из формулы (6) легко получить, что размерность величины есть Па^.с; единица вязкости так и называется „паскаль на секунду". В старой литературе можно встретить внесистемную единицу „пуаз" (П); 1 Па^.с = 10 П.

Коэффициент вязкости зависит, прежде всего, от природы жидкости (например, у воды вязкость относительно мала, у масла много больше). Кроме того, он сильно зависит от температуры. С ростом температуры вязкость сильно уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому, например, для машин применяют летнюю (более вязкую) и зимнюю (менее вязкую) смазку. При низкой температуре вязкость летней смазки ещё больше увеличится, возрастут силы трения, и увеличится расход энергии; кроме того, машину трудно будет завести. Если же пользоваться летом зимней, менее вязкой смазкой, она станет слишком текучей и будет вытекать из подшипников.

Для большинства жидкостей коэффициент вязкости при постоянной температуре есть постоянная величина, зависящая только от природы жидкости и не зависящая от её скорости (точнее, от градиента скорости). Такие жидкости принято называть „ньютоновскими", то есть строго подчиняющимися закону Ньютона.

Однако опыт показал, что для ряда жидкостей . При малых градиентах скорости (что чаще всего бывает, когда сама скорость движения жидкости мала) вязкость относительно велика, но с ростом градиента скорости вязкость уменьшается, приближаясь к некоторому, сравнительно малому постоянному значению (см. рисунок 5).

Рис. 5

Такие жидкости называются „ неньютоновскими". К ним относятся, во-первых, растворы веществ, молекулы которых в растворе образуют достаточно сильные межмолекулярные связи. Эти связи затрудняют перескоки молекул из одного положения в другое и тем самым снижают текучесть раствора, то есть увеличивают его вязкость. При увеличении градиента скорости межмолекулярные связи сначала частично, а в конце концов и полностью разрываются; в результате вязкость раствора падает до некоторой минимальной величины. Примерами неньютоновских жидкостей такого рода являются глицерин и, особенно, растворы белков. Во-вторых, неньютоновскими являются жидкости, содержащие мелкие взвешенные частички (пылинки, песчинки, микроорганизмы), а также коллоидные растворы. Легко видеть, что кровь относится и к первому и ко второму случаям: плазма крови содержит большое количество растворённых белков, и в ней плавает большое число клеток (в основном - эритроцитов); кровь - это типичная неньютоновская жидкость. Поэтому, в частности, в капиллярах, где скорость течения крови мала, вязкость крови заметно больше, чем в крупных сосудах; это необходимо учитывать при расчётах движения крови в системе кровообращения.

Поиск по сайту: