Т е о р и я м е т о д а. При движении жидкости или газа возникают силы внутреннего трения

При движении жидкости или газа возникают силы внутреннего трения. Эти силы возникают вследствие того, что движение жидкости или газа слоистое и скорости перемещения слоев разные. Силы внутреннего трения направлены к уравниванию скорости движения всех слоев. Уравнивание скорости слоев осуществляется путем передачи импульса молекулами более быстрого слоя молекулам слоя, движущегося медленно. Это приводит к увеличению скорости движения более медленного слоя. Слой же, движущийся быстрее, начинает двигаться медленнее, так как молекулы из медленного слоя, попадая в более быстрой слой, получают в быстром слое импульс, что приводит к его торможению.Таким образом, внутреннее трение обусловлено переносом импульса m молекулами вещества, которые переходят из слоя в слой и создают силы трения между слоями газа или жидкости перемещающимися с различными скоростями. Опыт показал, что сила внутреннего трения F пропорциональна градиенту скорости и площади соприкасающихся слоев . Коэффициент пропорциональности h называется коэффициентом вязкости.

F = - h (1)

υ1 Δx υ2 Δυ

Знак «- » в формуле показывает, что сила F направлена противоположно вектору скорости. Градиентом скорости называется изменение скорости на единицу длины в направлении, перпендикулярном скорости движения слоев.

Коэффициент динамической вязкости или внутреннего трения, есть физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, между слоями с площадью, равной единице, при градиенте скорости, равном единице h = (2)

Размерность коэффициента вязкости в СИ [h ] = [ ]

Наряду с коэффициентом динамической вязкости часто употребляют коэффициент кинематической вязкости

ν = где ρ - плотность жидкости

Коэффициент вязкости может быть определен методом падающего груза в вязкой среде (метод Стокса). Рассмотрим свободное падение шарика в вязкой покоящейся жидкости (рис.) На шарик действуют

I. Сила тяжести Р= mg= pr³rg (3)

где r – радиус шарика, r - плотность шарика, q - ускорение свободного падения.

2. Выталкивающая сила (по закону Архимеда)

F_A = m₁g = pr³r₁g (4)

где r₁ – плотность жидкости.

3. Сила сопротивления движению, вычисленная Стоксом, обусловленная силами внутреннего трения между слоями жидкости

F_C = 6 p h ru (5)

где u - скорость слоев жидкости.

Здесь играет роль не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга, т.к. при прикосновении твердого тела с жидкостью к поверхности тела тотчас же прилипают молекулы жидкости. Тело обволакивается слоями жидкости и связано с ними межмолекулярными силами. Непосредственно прилегающий к телу слой жидкости движется вместе с телом со скоростью движения тела. Этот слой увлекает в своем движении соседние слои жидкости, которые на некоторый период времени приходят в плавное безвихревое движение (если малые скорости и маленькие шарики). Равнодействующая сил, действующих на шарик R = P – (F_A+F_C) (6)

Вначале скорость движения шарика будет воз-растать, но так как по мере увеличения скорости шарика сила сопротивления будет также возрас-тать, но наступит такой момент, когда сила тяжести Р будет уровновешана суммой сил FA и FC, т.е. R = 0; P = FA + FC (7) C этого момента движение шарика становится равномерным с какой-то скоростью u0. Подставляя в формулу (7) соответствующие значения Р, FA и FC получим для коэффициента вязкости выражение h = (r -r1) (8)

Экспериментальная установка состоит из стеклянного цилиндра наполненного жидкостью. На цилиндр нанесены две горизонтальные метки, расположенные друг от друга на расстоянии . Диаметры шариков измеряют микрометром.