Для ламинарного режима () и шарообразной формы тела аналитическая формула для силы сопротивления получена ученым Стоксом и носит название формулы Стокса:
, (9)
где - коэффициент динамической вязкости среды; - радиус шара; - его скорость относительно потока среды. Итак, формула, или закон, Стокса получена для медленного поступательного движения шара в неограниченной вязкой среде. Законом Стокса пользуются в коллоидной химии, молекулярной физике, физике аэрозолей. По закону Стокса можно определить скорость осаждения мелких капель тумана, частиц ила, коллоидных и аэрозольных частиц. Условие его применения: .
Определим предельную скорость при падении частицы, если сила сопротивления определяется формулой Стокса.
Сила тяжести равна , где - объем и плотность материала частицы; подъемная сила равна , где - плотность среды. Подъемная сила и сила сопротивления направлены противоположно скорости падения, а для установившегося движения сумма всех действующих сил равна нулю. Отсюда
|
|
.
Подставив выражение для объема частицы , получим
. (10)
Если речь идет о падении шарика в воздухе, то плотностью воздуха можно пренебречь по сравнению с плотностью материала шарика, однако при падении в более плотных средах (например, в воде) формулу (10) следует использовать в полном виде. Порядки величин динамической вязкости для разных сред таковы:
Среда | , мПа·с |
Воздух | 0.0182 |
Вода | 1.002 |
Глицерин |
Оценки показывают, что при расчете скорости падения в воздухе формула Стокса справедлива лишь для частиц микронных размеров.