2. Теоретичні відомості та опис установки

В багатьох практично важливих випадках механіка рідин, що ґрунтується на уявленні про ідеальну рідину, незастосовна. На відміну від ідеальних рідин у реальних рідинах діють сили, які дотичні до площини контакту шарів. Ці сили називають силами в'язкого тертя (внутрішнього тертя) або силами в в’язкості.

В'язкістю називають властивість рідини або газу чинити опір при відносному переміщенні і'хніх шарів.

У потоках реальних рідин поблизу змочуваних твердих тіл різні шари мають неоднакову швидкість. Швидкість шару, який безпосередньо торкається твердого тіла, дорівнює нулю; в міру віддалення від поверхні твердого тіла швидкість шарів збільшується.

У явно потік рідини можна поділити на нескінченну кількість шарів. При відносному переміщенні на кожен з шарів діють сили тертя. Виділимо в потоці два паралельних шари рідини з рівними площами S і відстанню між ними Δz (рис. 2.1). На досліді встановлено, що на кожен шар діє дотична сила, причому на шар рідини, який рухається з меншою

швидкістю, діє сила в напрямку потоку, а на шар рідини, що рухається з більшою швидкістю - сила - . Величина цієї сили (сили в'язкості) визначається законом Ньютона

(2.1)

де - коефіцієнт динамічної в'язкості або коефіцієнт внутрішнього тертя; S - площа поверхні шару рідини;

- величина, що показує наскільки швидко змінюється швидкість течії у напрямі, перпендикулярному до напрямку руху рідини.

Використовуючи (2.1), маємо

(2.2)

Коефіцієнт в'язкості чисельно дорівнює силі тертя, що діє на одиницю поверхні шару газу (рідини), якщо зміна швидкості в перпендикулярному до руху напрямку рівна 1м/с на 1 м. В системі СІ одиницею вимірювання в'язкості є

(також для вимірювання в'язкості використовують допоміжну одиницю 1 пуаз=10^-1Па·с

(на честь французького фізика Пуазейля).

В'язкість рідини сильно залежить від температури і зменшується з її підвищенням.

2.4 Розглянемо рух симетричного тіла у реальній рідині. Внаслідок в'язкості рідина не може вільно ковзати по поверхні тіла; тому досить тонкий, шар рідини покриває поверхню тіла і рухається разом з ним. Виникає сила тертя в'язкості між шарами рідини, а не між твердим тілом і рідиною (ця сила не залежить від матеріалу, з якого зроблене тіло, а визначається лише формою тіла і властивостями рідини),

Дослід показує, що величина результуючої сили в'язкості, що діє на тіло, пропорційна швидкості (при малих швидкостях)

(2.3)

Коефіцієнт пропорційності С залежить від форми тіла, його характеристичних розмірів, орієнтації в потоці рідини та властивостей досліджуваної рідини.

При русі тіла в реальній рідині величина тиску перед рухомим тілом і за ним відрізняються (перший більший, ніж другий). Внаслідок цього на тіло діятиме сила, яка напрямлена проти його руху, тобто сила лобового опору

(2.4)

С₁ - коефіцієнт пропорційності, що залежить від форми тіла, його характеристичних розмірів, орієнтації в потоці рідини та властивостей досліджуваної рідини.

Отже, на симетричне тіло в потоці рідини одночасно діють сили в'язкості і сили лобового опору. Сили в'язкості діють на бокову поверхню тіла , сили лобового опору - на поверхню тіла, на яку набігає потік рідини. Критерієм того, яка сила відіграє основну роль, є швидкість потоку. В умовах даної лабораторної роботи (малі швидкості) силою лобового опору можна знехтувати.