Vâscozitatea lichidului este proprietatea lichidelor reale de a rezista forțelor tangențiale (frecare internă) într-un flux. Vâscozitatea unui lichid nu poate fi detectată atunci când lichidul este în repaus, deoarece apare doar când se mișcă. Pentru a evalua corect astfel de rezistențe hidraulice care apar în timpul mișcării fluidului, este necesar în primul rând să se stabilească legile frecării interne a fluidului și să se facă o idee clară despre mecanismul mișcării în sine.

Semnificația fizică a vâscozității

Pentru conceptul de esență fizică a unui astfel de concept precum vâscozitatea lichidului, luați în considerare un exemplu. Să fie două plăci paralele A și B. Spațiul dintre ele conține un lichid: placa inferioară este nemișcată, iar placa superioară se mișcă cu ceva viteza constanta v 1

După cum arată experiența, straturile de lichid direct adiacente plăcilor (așa-numitele straturi aderente) vor avea aceleași viteze ca și acesta, adică. stratul adiacent plăcii inferioare A va fi în repaus, iar stratul adiacent plăcii superioare B se va deplasa cu viteza υ 1.

Straturile intermediare de lichid vor aluneca unele peste altele, iar vitezele lor vor fi proporționale cu distanțele de la placa de jos.

Newton a mai sugerat, ceea ce a fost confirmat în curând de experiență, că forțele de rezistență care apar în timpul unei astfel de alunecări a straturilor sunt proporționale cu aria de contact dintre straturi și cu viteza de alunecare. Dacă luăm aria de contact ca fiind egală cu unu, această poziție poate fi scrisă ca

unde τ este forța de rezistență pe unitate de suprafață sau efortul de frecare

μ este un coeficient de proporționalitate care depinde de tipul de lichid și se numește coeficient de vâscozitate absolută sau pur și simplu vâscozitatea absolută a lichidului.

Valoarea dυ/dy - modificarea vitezei în direcția normală cu direcția în sine a vitezei se numește viteză de alunecare.

Astfel, vâscozitatea unui lichid este proprietate fizică lichide, caracterizandu-le rezistenta la alunecare sau la forfecare

Vâscozitate cinematică, dinamică și absolută

Acum să decidem diverse concepte viscozitate:

Vascozitate dinamica. Unitatea de măsură pentru această vâscozitate este pascal pe secundă (Pa*s). Sensul fizic este reducerea presiunii pe unitatea de timp. Vâscozitatea dinamică caracterizează rezistența unui lichid (sau gaz) la deplasarea unui strat față de altul.

Vâscozitatea dinamică depinde de temperatură. Ea scade cu creșterea temperaturii și crește cu creșterea presiunii.

Vâscozitatea cinematică. Unitatea de măsură este Stokes. Vâscozitatea cinematică se obține ca raport dintre vâscozitatea dinamică și densitatea unei anumite substanțe.

Determinarea vâscozității cinematice se realizează în cazul clasic prin măsurarea timpului de curgere a unui anumit volum de lichid printr-un orificiu calibrat sub influența gravitației

Vâscozitatea absolută se obține prin înmulțirea vâscozității cinematice cu densitatea. În sistemul internațional de unități, vâscozitatea absolută se măsoară în N*s/m2 - această unitate se numește Poiseuille.

Coeficientul de viscozitate al fluidului

În hidraulică se folosește adesea valoarea obținută prin împărțirea vâscozității absolute la densitate. Această valoare se numește coeficient de vâscozitate cinematică a lichidului sau pur și simplu vâscozitate cinematică și se notează cu litera ν. Prin urmare vâscozitatea cinematică lichide

unde ρ este densitatea lichidului.

Unitatea de măsură pentru vâscozitatea cinematică a unui lichid în sistemele internaționale și tehnice de unități este m2/s.

În sistemul fizic de unități, vâscozitatea cinematică are o unitate de cm 2 /s și se numește Stokes (St).

Vâscozitatea unor lichide

Reciprocul coeficientului de vâscozitate absolută a unui lichid se numește fluiditate

După cum arată numeroase experimente și observații, vâscozitatea unui lichid scade odată cu creșterea temperaturii. Pentru diferite lichide, dependența vâscozității de temperatură este diferită.

Prin urmare, în calculele practice, alegerea valorii coeficientului de vâscozitate trebuie abordată cu mare atenție. În fiecare caz individual, este recomandabil să luați ca bază teste speciale de laborator.

Vâscozitatea lichidelor, așa cum a fost stabilită din experimente, depinde și de presiune. Vâscozitatea crește odată cu creșterea presiunii. Excepție în acest caz este apa, pentru care la temperaturi de până la 32 de grade Celsius, vâscozitatea scade odată cu creșterea presiunii.

În ceea ce privește gazele, dependența vâscozității de presiune, precum și de temperatură, este foarte semnificativă. Odată cu creșterea presiunii, vâscozitatea cinematică a gazelor scade, iar odată cu creșterea temperaturii, dimpotrivă, crește.

Metode de măsurare a vâscozității. Metoda Stokes.

Domeniul dedicat măsurării vâscozității unui lichid se numește vâscosimetrie, iar instrumentul de măsurare a vâscozității se numește vâscozimetru.

Viscozimetrele moderne sunt fabricate din materiale durabile, iar în producția lor cele mai multe tehnologii moderne, pentru a asigura lucrul cu temperatură și presiune ridicată fără a deteriora echipamentul.

Există următoarele metode pentru determinarea vâscozității unui lichid.

Metoda capilară.

Esența acestei metode este utilizarea vaselor comunicante. Două vase sunt conectate printr-un tub de sticlă de diametru și lungime cunoscute. Lichidul este plasat într-un canal de sticlă și curge dintr-un vas în altul într-o anumită perioadă de timp. În continuare, cunoscând presiunea din primul vas și folosind formula Poiseuille pentru calcule, se determină coeficientul de vâscozitate.

Metoda conform Hesse.

Această metodă este ceva mai complicată decât cea anterioară. Pentru a realiza acest lucru, este necesar să aveți două instalații capilare identice. Un mediu cu o valoare cunoscută anterior a frecării interne este plasat în primul, iar lichidul studiat este plasat în al doilea. Apoi măsoară timpul folosind prima metodă pe fiecare dintre instalații și, făcând proporția dintre experimente, găsesc vâscozitatea de interes.

Metoda rotativă.

Pentru a efectua această metodă, este necesar să existe o structură din doi cilindri, unul dintre ei situat în interiorul celuilalt. Lichidul de testat este plasat în spațiul dintre vase, iar apoi cilindrul interior este accelerat.

Lichidul se rotește cu cilindrul la propria sa viteză unghiulară. Diferența de cuplu dintre cilindru și lichid ne permite să determinăm vâscozitatea acestuia din urmă.

Metoda Stokes

Pentru a efectua acest experiment, veți avea nevoie de un viscozimetru Heppler, care este un cilindru umplut cu lichid.

Mai întâi, se fac două semne de-a lungul înălțimii cilindrului și se măsoară distanța dintre ele. O minge cu o anumită rază este apoi plasată în lichid. Mingea începe să se scufunde în lichid și parcurge distanța de la un semn la altul. Acest timp este înregistrat. După ce s-a determinat viteza mingii, se calculează apoi vâscozitatea lichidului.

Video despre vâscozitate

Determinarea vâscozității joacă un rol important în industrie, deoarece determină proiectarea echipamentelor pentru diverse medii. De exemplu, echipamente pentru producția, rafinarea și transportul petrolului.

Coeficientul de vâscozitate .

Vâscozitatea este unul dintre cele mai importante fenomene observate în timpul mișcării unui fluid real.

Toate lichidele (și gazele) reale prezintă vâscozitate sau frecare internă într-un grad sau altul. Când un fluid real curge între straturile sale, apar forțe de frecare. Aceste forțe se numesc forțe de frecare internă sau vâscozitate.

Vâscozitatea este frecarea dintre straturile de lichid (sau gaz) care se deplasează unul față de celălalt.

Forțele de vâscozitate (frecare internă) sunt direcționate tangențial la straturile de lichid în contact și contracarează mișcarea acestor straturi unul față de celălalt. Ele decelerează stratul mai rapid și accelerează stratul mai lent. Există două motive principale pentru vâscozitate:

In primul rand, forțele de interacțiune între moleculele straturilor adiacente care se mișcă la viteze diferite;

În al doilea rând, tranziția moleculelor de la strat la strat și transferul de impuls asociat.

Din aceste motive, straturile interacționează între ele, stratul lent accelerează, stratul rapid încetinește. În lichide primul motiv este mai clar exprimat, în gaze al doilea.

Pentru a clarifica modelele care guvernează forțele de frecare internă, luați în considerare următorul experiment. Să luăm două plăci orizontale cu un strat de lichid între ele (Fig. 9). Punem placa superioară în mișcare cu o viteză constantă . Pentru a face acest lucru, trebuie aplicată forță pe placă
pentru a depăși forța de frecare
, acționând asupra plăcii în timp ce aceasta se mișcă în lichid. Stratul de lichid adiacent direct plăcii superioare, datorită umezirii, aderă la placă și se mișcă odată cu ea. Stratul de lichid care aderă la placa de jos este ținut în repaus cu acesta,
. Straturile intermediare se deplasează în așa fel încât fiecare dintre cele superioare să aibă o viteză mai mare decât cea care se află dedesubt. Săgețile din Fig. 9 arată „profilul de viteză” al fluxului. De-a lungul axei perpendiculare pe vector , viteza crește. Măsurarea vitezei este caracterizată de valoare .

Magnitudinea arată care este măsurarea vitezei pe unitatea de lungime de-a lungul direcției de schimbare a vitezei, adică determină viteza de schimbare a vitezei și direcției perpendiculare pe viteza însăși. Frecarea dintre straturi depinde de această valoare. Magnitudinea măsurată în
.

Newton a descoperit că forța de frecare dintre două straturi de lichid este direct proporțională cu aria de contact dintre straturi. și dimensiune :


. (13)

Formula (13) se numește formula lui Newton pentru frecarea vâscoasă. Factorul de proporționalitate numit coeficient de vâscozitate (frecare internă). Din (13) este clar că

În sistem
Unitatea de măsură pentru coeficientul de vâscozitate este

(pascal - secunda),

în sistemul SGS, coeficientul de vâscozitate este măsurat în
(pozes) și

Se numesc lichide pentru care formula lui Newton (13) este îndeplinită Newtonian. Pentru astfel de lichide, coeficientul de vâscozitate depinde numai de temperatură. Printre fluidele biologice, fluidele newtoniene includ plasma sanguină și limfa. Pentru multe lichide reale, relația (13) nu este strict satisfăcută. Astfel de lichide se numesc non-newtonian. Pentru ei coeficientul de vâscozitate depinde de temperatură, presiune și o serie de alte cantități. Aceste fluide includ fluide cu molecule mari și complexe, cum ar fi sângele integral.

Vâscozitatea sângelui unei persoane sănătoase
, cu patologia fluctuează, ceea ce afectează viteza de sedimentare a eritrocitelor. Vâscozitatea sângelui venos este mai mare decât cea a sângelui arterial.

Vâscozitate (frecare internă) - Aceasta este proprietatea lichidelor reale de a rezista mișcării unei părți a lichidului față de alta. Când unele straturi de lichid real se mișcă în raport cu altele, apar forțe de frecare interioare, direcționate tangențial la suprafața straturilor. Acțiunea acestor forțe se manifestă prin faptul că din partea stratului cu mișcare mai rapidă, asupra stratului cu mișcare mai lentă acționează o forță acceleratoare. Din partea stratului care se mișcă mai lent, o forță de frânare acționează asupra stratului care se mișcă mai rapid.

Forța de frecare internă F cu cât este mai mare, cu atât este mai mare suprafața considerată a stratului S (Fig. 52) și depinde de cât de repede se schimbă viteza de curgere a fluidului la trecerea de la strat la strat.

Figura prezintă două straturi distanțate unul de celălalt la o distanță x și care se deplasează cu viteze v 1 și v 2. În acest caz, v 1 -v 2 = v. Direcția în care se măsoară distanța dintre straturi este perpendicular debitele stratului. Valoarea v/x arată cât de repede se schimbă viteza la trecerea de la un strat la altul în direcția X, perpendicular pe direcția de mișcare a straturilor și se numește gradient de viteză. Astfel, modulul forței de frecare internă

unde coeficientul de proporţionalitate  , in functie de natura lichidului se numeste vascozitate dinamica(sau pur și simplu viscozitate).

Unitatea de vâscozitate este pascal secundă (Pa s): 1 Pa s este egal cu vâscozitatea dinamică a mediului în care, sub flux laminar și un gradient de viteză cu un modul egal cu 1 m/s pe 1 m, o frecare internă forța de 1 N la 1 m2 de suprafață are loc la atingerea straturilor (1 Pa s = 1 N s/m 2).

Cu cât este mai mare vâscozitatea, cu atât lichidul diferă mai mult de ideal, cu atât sunt mai mari forțele de frecare internă care apar în el. Vâscozitatea depinde de temperatură, iar natura acestei dependențe este diferită pentru lichide și gaze (pentru lichide, m] scade odată cu creșterea temperaturii, pentru gaze, dimpotrivă, crește), ceea ce indică diferența dintre ele

mecanisme de frecare internă. Vâscozitatea uleiurilor depinde în mod deosebit de temperatură. De exemplu, vâscozitatea uleiului de ricin este în intervalul 18-40 ° CU scade de patru ori. Fizicianul sovietic P. L. Kapitsa (1894-1984; Premiul Nobel 1978) a descoperit că la o temperatură de 2,17 K, heliul lichid intră într-o stare superfluid, în care vâscozitatea sa este zero.

Există două moduri de curgere a fluidului. Curentul este numit laminar (stratificat), dacă de-a lungul fluxului fiecare strat subțire selectat alunecă în raport cu vecinii săi fără a se amesteca cu ei și turbulent (vârtej), dacă de-a lungul fluxului are loc formarea intensă de vortex și amestecarea lichidului (gazului).

Curgerea laminară a lichidului este observată la viteze mici ale mișcării sale. Stratul exterior de lichid adiacent suprafeței conductei în care curge aderă la acesta datorită forțelor moleculare de adeziune și rămâne nemișcat. Cu cât distanța de la straturile următoare la suprafața țevii este mai mare, cu atât viteza straturilor ulterioare este mai mare, iar stratul care se mișcă de-a lungul axei țevii are cea mai mare viteză.

În fluxul turbulent, particulele de fluid dobândesc componente de viteză perpendiculare pe flux, astfel încât se pot muta de la un strat la altul. Viteza particulelor lichide crește rapid pe măsură ce se îndepărtează de suprafața conductei, apoi se modifică destul de ușor. Deoarece particulele lichide se deplasează de la un strat la altul, vitezele lor în diferite straturi diferă puțin. Datorită gradientului mare

viteze, vortexurile se formează de obicei la suprafața conductei.

Profilul de viteză medie pentru curgerea turbulentă în conducte (Fig. 53) diferă de profilul parabolic pentru curgerea laminară printr-o creștere mai rapidă a vitezei în apropierea pereților conductei și o curbură mai mică în partea centrală a fluxului.

Omul de știință englez O. Reynolds (1842-1912) în 1883 a stabilit că natura curgerii depinde de o mărime adimensională numită Numărul Reynolds:

unde v = / - vâscozitatea cinematică;

 - densitatea lichidului; (v) este viteza medie a fluidului pe secțiunea transversală a conductei; d- o dimensiune liniară caracteristică, de exemplu diametrul unei țevi.

La valori scăzute ale numărului Reynolds (Re1000), se observă flux laminar, trecerea de la flux laminar la flux turbulent are loc în regiunea de 1000:Re2000, iar la Re = 2300 (pentru conducte netede) fluxul este turbulent. Dacă numărul Reynolds este același, atunci regimul de curgere al diferitelor lichide (gaze) în conducte de secțiuni diferite este același.

Să luăm în considerare un alt sistem de coordonate: υ de la X(Fig. 3.5).

Lăsați un gaz în repaus în sus, perpendicular pe ax X, placa se mișcă cu o viteză υ 0 și (υ T este viteza mișcării termice a moleculelor). Placa poartă cu ea stratul adiacent de gaz, acel strat – cel vecin și așa mai departe. Tot gazul este împărțit, parcă, în straturi subțiri, alunecând în sus, cu cât sunt mai lent, cu atât se depărtează de placă. Deoarece straturile de gaz se mișcă cu viteze diferite, are loc frecare. Să aflăm cauza frecării în gaz.


Orez. 3.5

Fiecare moleculă de gaz din strat ia parte la două mișcări: termică și direcțională.

Deoarece direcția mișcării termice se schimbă haotic, în medie vectorul viteză termică este zero. Cu mișcare direcționată, întregul set de molecule se va deplasa cu o viteză constantă v. Astfel, impulsul mediu al unei molecule individuale cu o masă mîn strat este determinată numai de viteza de derive υ:

Dar, deoarece moleculele sunt implicate în mișcarea termică, ele se vor deplasa de la un strat la altul. În același timp, vor purta cu ei un impuls suplimentar, care va fi determinat de moleculele stratului la care a trecut molecula. Amestecarea moleculelor din diferite straturi duce la egalizarea vitezelor de derive a diferitelor straturi, care se manifestă macroscopic ca acțiunea forțelor de frecare dintre straturi.

Să revenim la Fig. 3.5 și considerați o zonă elementară d S perpendicular pe ax X. Prin această platformă în timp d t fluxurile de molecule se deplasează la stânga și la dreapta:

Dar aceste fluxuri poartă impulsuri diferite: și .

Când impulsul este transferat de la strat la strat, impulsul acestor straturi se modifică. Aceasta înseamnă că fiecare dintre aceste straturi este supus unei forțe egale cu schimbarea impulsului. Această putere nu este nimic mai mult decât forța de frecare între straturi de gaz care se deplasează cu viteze diferite. De aici și numele - frecare internă .

Legea vâscozității a fost descoperit de I. Newton în 1687.

Transportat în timp d t impulsul este egal cu:

De aici obținem forța care acționează pe unitatea de suprafață a suprafeței care separă două straturi adiacente de gaz: