1.7. Вязкость. Идеальная жидкость

Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу соседних слоев при движении жидкости. Все реальные жидкости обладают вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частей жидкости. Свойство, обратное вязкости – текучесть. Текучесть характеризует степень подвижности частиц жидкости. На рис. 1.5 представлена эпюра скорости вязкой жидкости, движущейся в цилиндрической трубе. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки. Рассмотрим два слоя жидкости, движущиеся на расстоянии Δy друг от друга. Слой А движется со скоростью u, а слой B о скоростью . Вследствие разности скоростей слой В сдвигается относительно слоя А на величину , которая является абсолютным сдвигом слоя А по слою В, а – относительный сдвиг или градиент скорости. Если расстояние между слоями будет мало, то градиент скорости можно записать как . Можно также сказать, что градиент скорости показывает интенсивность изменения скорости в данном сечении. В результате сдвига соседних слоев появляется касательное напряжение трения.

Рис.1.5. Распределение скоростей в сечении трубы при ламинарном движении

Согласно гипотезе Ньютона, касательное напряжение, возникающее при движении жидкости пропорционально скорости деформации объема жидкости

(1.22)

где μ – коэффициент пропорциональности или динамический коэффициент вязкости.

Единица измерения динамического коэффициента вязкости – Пуаз (П):

1П = 0,1 Па·с = 0,0102 .

Вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов увеличивается. Это связано с различным молекулярным строением жидкостей и газов. Для определения вязкости при различных температурах используются эмпирические формулы, значения вязкости для различных жидкостей приводятся в справочниках. Например, вязкость воды при температуре 20 ºC равна 0,01 П.

Наряду с понятием динамической вязкости в гидравлике применяется кинематическая вязкость ν, которая представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности

.

(1.23)

Единицы измерения – Стокс (Ст): 1 Ст = 1 .

Для определения кинематической вязкости при различных температурах также используются эмпирические формулы, и ее значения для различных жидкостей приводятся в справочниках. Кинематическая вязкость воды при температуре 20ºC равняется 0,01 .

Вязкость капельных жидкостей мало зависит от давления в диапазоне до 200 атм. Кинематическая вязкость воздуха (газов) зависит и от давления, и от температуры. Для нормальных условий (t = 20 ºC, p = 100000 Па) ν_{воздуха} = 0,157 , т.е. почти в 15 раз больше воды, что связано с меньшей плотностью воздуха.

Измерение вязкости проводится при помощи специальных приборов, называемых вискозиметрами. Измерение вязкости вискозиметром Энглера студенты выполняют во время лабораторных работ.

Идеальная жидкость – жидкость, в которой отсутствует вязкость. Представляет собой модель реальной жидкости, и это понятие используется для облегчения решения некоторых задач гидравлики. Выводы, полученные исходя из свойств невязкой жидкости, приходиться корректировать, вводя поправочные коэффициенты, получаемые в результате экспериментальных исследований.