Теоретические основы работы

Внутреннее трение (вязкость) – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление при перемещении одной их части относительно другой. Рассмотрим схему вязкого ламинарного (слоистого) течения слоя жидкости, заключенного между двумя параллельными пластинами (рис.13.1). Пусть нижняя пластина неподвижна, верхняя движется горизонтально вправо со скоростью . Тогда в жидкости возникает течение со скоростью u=u(z).

Закон вязкого трения был установлен Ньютоном. Он имеет вид

,

где F -касательная сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости относительно друг друга; S -площадь слоя, по которому происходит сдвиг; du/dz -градиент скорости течения жидкости (быстрота изменения скорости от слоя к слою). В результате внутреннего трения происходит ускорение медленно движущихся и замедление быстро движущихся соседних слоев жидкости.

Коэффициент пропорциональности h - коэффициент внутреннего трения жидкости; иногда его называют вязкостью жидкости. В СИ размерность [ h ]=Па×с.

В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т коэффициент внутреннего трения жидкости h практически не зависит от градиента скорости.

Вязкость жидкостей (в отличие от вязкости газов) обусловлена в основном межмолекулярным взаимодействием, ограничивающем подвижность молекул. В настоящее время еще не существует адекватной теории вязкости жидкости, поэтому коэффициент внутреннего трения определяются экспериментально.

Одним из методов экспериментального определения коэффициента внутреннего трения вязких жидкостей является метод Стокса. При движении тела в жидкости на него действует сила сопротивления. Стокс вывел формулу для силы сопротивления, действующей на шар, движущийся в жидкости поступательно и с постоянной скоростью (вывод этой формулы требует знания специальных функций, поэтому мы его здесь не приводим). Формула Стокса имеет вид

F=phru×6

Здесь F -cила сопротивления жидкости при движении шара; h-коэффициент внутреннего трения; r-радиус шара; u-скорость поступательного движения шара. Отметим, что формула Стокса справедлива лишь при условии, что при движении шара не возникает турбулентность (завихрение) жидкости. Движение прилегающих к шару слоев жидкости должно быть ламинарным. Это услоu₀ вие выполняется при

.

Здесь Re – число Рейнольдса – одна из так называемых критериев подобия; r- плотность жидкости. Отметим, что критерии подобия дают возможность подбирать оптимальные условия эксперимента; они широко используются в гидродинамике, явлениях переноса, теории теплопередачи и др. Критерии подобия дают правила пересчета с модели на натурную конструкцию для явлений, в которых необходимо учитывать большое число факторов.