Текучесть и вязкость

Текучесть - это свойство, означающее способность течь под влиянием самых малых сдвигающих усилий.

Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу и скольжению соприкасающихся слоёв. Вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижности её частиц.

Все реальные жидкости обладают определённой вязкостью. Вязкость приводит к появлению сил внутреннего трения между смежными слоями, текущими с различными скоростями.

Силы трения (сдвига) в жидкости не зависят от давления. Внутреннее трение прямо пропорционально площади соприкосновения трущихся слоёв и градиенту скорости по нормали и зависит от рода и состояния жидкости.

Пусть жидкость течёт вдоль плоской стены параллельными слоями. Тормозящее влияние стены приводит к тому, что разные слои будут иметь разные скорости (рис. 1.1). Рассмотрим слои А и В на расстоянии Dy друг от друга. Слой А движется со скоростью u, а слой В - со скоростью (u + Du).

Вследствие разности скоростей слой В по отношению к слою А движется со скоростью Du и за каждую единицу времени сдвигается относительно слоя А на величину Du, называемую абсолютнымсдвигом. Отношение (Du/Dy) есть градиент скорости или относительныйсдвиг. При этом движении в результате внутреннего трения появляются касательныенапряжения (сила трения на единицу площади) - t (тау). Аналогично сдвигу в твёрдых телах запишем зависимость между напряжением и деформацией:

t = h × .

Рисунок 1 – Изменение скорости слоёв жидкости u при изменении расстояния y от твёрдой стенки

Если слои находятся бесконечно близко друг к другу, зависимость имеет вид:

t = h × . (1.11)

Впервые это соотношение показал Ньютон, и оно носит название закон Ньютона.

Величина силы внутреннего трения между движущимися слоями пропорциональна касательному напряжению t и площади трущихся слоёв w

F = t × w.

Уравнение Ньютона имеет вид:

F = h × w × . (1.12)

Величина h (эта) характеризует сопротивление жидкости сдвигу и называется коэффициентомдинамическойвязкости.

Для определения размерности коэффициента динамической вязкости выразим его из формулы (1.11):

h = ; = = Па × с.

Физический смысл коэффициента динамической вязкости h: динамический коэффициент вязкости равен силе, которая возникает на 1 м² поверхности двух, перемещающихся друг относительно друга слоёв жидкости при градиенте скорости (du/dy) = 1.

Для капельных жидкостей с повышением температуры коэффициент динамической вязкости уменьшается, а для газов возрастает.

Динамический коэффициент вязкости газа может быть определён по формуле Саттерлэнда (Сезерленда):

h = h₀ × × ,

где - константа Сезерленда. Определяется для различных газов по справочникам;

h₀ - динамический коэффициент газа при нормальных физических условиях.

Для воды динамический коэффициент вязкости определяется по формуле:

h = ,

где - температура жидкости по шкале Цельсия.

В расчётах чаще используют кинематическийкоэффициентвязкости n (ню):

n = , (1.13)

Коэффициент кинематической вязкости n характеризует ускорение (замедление) частиц, вызванное силами вязкости.

Коэффициент кинематической вязкости n капельных жидкостей при давлениях, встречающихся в большинстве случаев (до 200 ат) весьма мало зависит от давления, и этим изменением в гидравлических расчётах пренебрегают.

Коэффициент кинематической вязкости n капельных жидкостей зависит от температуры. С увеличением температуры n уменьшается.

Коэффициент кинематической вязкости n газов зависит от температуры и давления, возрастая с увеличением температуры.