Действие сил трения (вязкости) можно наблюдать:

• на примере цилиндрического сосуда, заполненного водой при его вращении вокруг вертикальной оси;

• на примере перемещения пластины по поверхности воды, находящейся в широком сосуде;

• на примере движения жидкости параллельными слоями вдоль наклонного русла.

Касательные напряжения, возникающие в движущейся жидкости, зависят от молекулярных связей.

Касательные напряжения  можно определить динамической вязкостью  и числом нарушенных молекулярных связей, оцениваемых интенсивностью изменения скорости U по нормали n к движению:

где  - динамическая вязкость (или абсолютная вязкость) или коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости), [Пас];

dn – расстояние между двумя бесконечно близкими слоями;

dU – разность скоростей, отнесенных к этим слоям;

- относительный сдвиг (градиент скорости).

Динамическая вязкость - коэффициент, характеризующий свойства жидкостей.

Эту зависимость называют законом вязкого трения Ньютона, а подчиняющиеся этому закону жидкости – ньютоновскими.

В соответствии с данной зависимостью видно, что сила трения, приходящаяся на единицу площади, прямо пропорциональна относительному сдвигу.

К ньютоновским жидкостям относятся вода и другие жидкости, обладающие высокой текучестью, а также газы.

Принято считать касательные напряжения всегда положительными. В правой части зависимости для определения  берется знак «плюс», если градиент скорости по нормали положителен, и знак «минус», если отрицателен.

Значение продольной силы внутреннего трения, возникающей между соседними слоями жидкости, движущимися с разными скоростями при прямолинейном движении, согласно гипотезе Ньютона и исследованиям Н.П. Петрова может быть определено по формуле:

Т =   S dU/dn

где S – площадь поверхности соприкасающихся слоев.

Природа вязкости жидкости и газа не одинакова. В жидкости повышение температуры (кинетической энергии молекул) приводит к ослабеванию межмолекулярные связей, что способствует снижению динамической вязкости.

Для воды отмеченное явление выражается формулой Пуазейля:

, Па с

где _о = 17,910^-4 Пас – динамическая вязкость воды при температуре 0С.

В газах с повышением температуры также усиливается диффузия, но именно это усиление обмена импульсами через плоскость сдвига определяет рост динамической вязкости газов; например для воздуха:

 = (1700 + 5,6 t - 0,117 t²)  10^-8 , Пас

где  выражается в Пас, а температура в градусах Цельсия.

Динамическая вязкость может измеряеться в Пуазах [П].

1 П = 0,1 Пас

Таким образом, значение динамической вязкости зависит:

- от рода жидкости;

- от ее температуры;

- от ее плотности (чем больше плотность жидкости, тем больше ее вязкость);

- от давления (зависит относительно мало).

Вязкость жидкости характеризуется также кинематической вязкостью  (или относительной вязкостью), которую часто используют для решения практических задач.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости, т.е.

 =  / , м²/с

В системе СГС за единицу кинематической вязкости принят Стокс [Ст]

1 Ст = 1 см² / с

Кинематическая вязкость воды при атмосферном давлении определяется по формуле Пуазейля: , м²/c

0С  = 0,0178 см²/с

5 0,0152 см²/с

10 0,0131 см²/с

12 0,0124 см²/с

15. 0,0114 см²/с

20. 0,0101 см²/с

30. 0,0081 см²/с

Для определения вязкости жидкостей применяют приборы, называемые вискозиметрами (различных типов и конструкций).

Работа капиллярного вискозиметра основана на сравнении времени вытекания одинаковых объемов двух разнородных жидкостей, вязкость одной из которых известна (например, вода). Вискозиметр представляет собой стеклянную U – образную трубку, в левое колено, которой впаян капилляр.

, откуда

.

Вискозиметр Энглера представляет собой сосуд, емкостью 200 см³, снизу которого припаяна трубка с диаметром отверстия 2,8 мм.

Отношение времени истечения исследуемой жидкости ко времени истечения такого же количества воды при температуре 20^оС характеризует ее вязкость в градусах Энглера:

Э = Т_ж/T_в , Е

Пересчет полученной вязкости в кинематическую вязкость осуществляется по формуле: (эмпирическая формула Убеллоде):

, м²/c

Кроме обычных (ньютоновских) жидкостей, для которых характерна зависимость, описывающая закон вязкого трения, существуют аномальные (неньютоновские) жидкости. К ним относятся смазочные масла, нефтепродукты – битумы, асфальт, глины (при определенной степени насыщения).

Для таких жидкостей закон внутреннего трения выражается в виде:

 = ^   dU/dn

Подобные жидкости обнаруживают текучесть только в том случае, если сдвигающие силы превышают некоторую начальную величину ^.

Жидкость состоит из молекул, которые при определенных условиях с некоторой силой притягиваются друг к другу.

Поверхностное натяжение жидкости обуславливается силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости. В связи с этим вводится понятие силы поверхностного натяжения применительно к модели жидкости как сплошной однородной несжимаемой среды. Эту силу характеризует коэффициент поверхностного натяжения  [H/м].

Коэффициент поверхностного натяжения – величина, равная силе, с которой две соседние части свободной поверхности взаимодействуют друг с другом в пределах разделяющей их линии (контура) единичной длины.

Силы поверхностного напряжения удерживают свободную поверхность от разрушения, стягивают ее, стремясь свести к минимуму.

Как известно, из всех возможных форм тела, минимум поверхности имеет шар. Шаровую форму и приобретают капли жидкости под действием только сил поверхностного натяжения, когда исключено влияние других сил.

Величина поверхностного натяжения  зависит:

1. от природы жидкости;

2. от температуры жидкости.

Для воды, находящейся в соприкосновении с воздухом, значение  при температуре 20^С равно примерно:

 = 0,0726 Н/м,

уменьшаясь с увеличением температуры.

В большинстве гидравлических процессов влиянием поверхностного натяжения в виду его малости пренебрегают (за исключением некоторых вопросов).

Необходимость учета поверхностного натяжения возникает лишь в случаях, когда свободная поверхность жидкости приобретает заметную кривизну и силы поверхностного натяжения сказываются в дополнительном давлении на свободную поверхность.

Однородность молекулярных связей внутри жидкости нарушается на ее границах. Со стороны газов и не смачиваемых твердых тел они оказываются слабее, чем внутри самой жидкости. В этом случае в месте контакта жидкости с твердым телом свободная поверхность принимает выпуклые ( ) очертания, что приводит к местному снижению уровня.

Со стороны смачиваемых твердых тел связи оказываются прочнее. Здесь силы взаимодействия в состоянии подтянуть ближайшие молекулы жидкости выше уровня свободной поверхности. Свободная поверхность принимает очертания вогнутой () поверхности.

Искривление свободной поверхности изменяет молекулярное давление, обусловленное силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя.

Молекулярное давление повышается при выпуклой свободной поверхности и снижается при вогнутой. Наиболее ярко последствия изменения молекулярного давления проявляются в тонких каналах – капиллярах.

Если стенки капилляра смачиваются, то местное снижение молекулярного давления в капилляре создает перепад (р₂ – р₁), который уравновешивается весом жидкости за счет высоты капиллярного поднятия.

В капиллярах из не смачиваемых материалов наблюдается снижение уровня.

Высоту капиллярного поднятия в трубке радиусом r можно рассчитать:

 - угол между смоченной поверхностью и касательной к мениску.

Высоту подъема смачивающей жидкости (или опускание не смачивающей жидкости) в стеклянной трубке диаметром d определяют по формуле для полусферического мениска:

,

где имеет следующие значения в мм²:

- вода - + 30;

• ртуть - - 10,1;

• спирт - + 11,5.

Зависимость поверхностного натяжения от температуры имеет вид:

 = _о -   t

где _о – поверхностное натяжение при соприкосновении с воздухом при температуре 0С ( для воды _о = 0,076 Н/м);

 - удельное поверхностное натяжение.  = 0,00015 Н / м С

Влияние поверхностного натяжения приходится учитывать:

1. при работе с жидкостными приборами для измерения давления;

2. при истечении жидкости из малых отверстий;

3. при рассмотрении вопросов очистки вод методом фильтрования;

4. при образовании капель в свободных струях.

Особенно сильно поверхностное натяжение проявляется в трубках малого диаметра, в тонких капиллярах, например, в глинистых грунтах. В глинистых грунтах поднятие жидкости может достигать нескольких метров.

Капиллярный подъем может оказаться определяющим в процессе насыщения водой грунта и в потере из-за этого его несущей способности как основания сооружения.

Жидкости обладают способностью поглощать и растворять соприкасающиеся с ней газы. Вода в природном состоянии всегда содержит известное количество растворенного воздуха. При обычной температуре и атмосферном давлении оно составляет около 2% от объема воды.

Всякий раз, как только давление воды становится меньше атмосферного, часть растворенного воздуха выделяется вместе с ее парами. При этом нарушается ее непрерывность и образуется своего рода эмульсия, обладающая гораздо большей сжимаемостью и с новыми физико-механическими свойствами.

Выделение воздуха может происходить и при давлениях, больших атмосферного, если температура воды увеличивается или вода слишком аэрирована. В таких случаях выделение воздуха в длинных трубопроводах приводит к прекращению движения воды.

За счет колебательного теплового движения у молекул жидкости, возможно повышение кинетической энергии, которого достаточно для выхода из жидкой среды в газовую среду отдельных молекул. В результате формируются пары жидкости над ее поверхностью. Этот процесс называется испарением.

Чем выше концентрация паров над поверхностью жидкости, тем выше вероятность и обратного процесса – перехода отдельных частиц пара в жидкость. При равенстве числа переходов прямого и обратного процессов пар над поверхностью жидкости становится насыщенным.

Если внешнее давление при данной температуре станет равным давлению насыщенных паров, то возникнет кипение жидкости. Соответствующая этому состоянию температура называется температурой кипения. В закипевшей жидкости устанавливается температура и давление точки кипения. Подвод теплоты или попытка снизить давление приводит к увеличению интенсивности кипения.

Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям.

Интенсивность испарения зависит от:

• рода жидкости;

• от условий, в которых находится жидкость.

Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении: чем меньше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости.

Более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров, выраженное в функции температуры. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости..

Значение упругости паров для сложных жидкостей в литературе приводятся для отношения паровой и жидкой фаз, равного 4 : 1.

Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях. Количество растворенного газа в единице объема жидкости зависит от:

• рода жидкости;

• от давления .

Относительный объем газа, растворимого в жидкости до ее полного насыщения, можно считать прямо пропорциональным давлению, т.е.:

,

где - объем растворенного газа при нормальных условиях;

- объем жидкости;

р₁ и р₂ - начальное и конечное давление газа;

- коэффициент растворимости воздуха.

При температуре 20^оС коэффициент имеет следующие значения для:

• воды - 0,016;

• керосина – 0,127;

• трансформаторное масло – 0,083;

• индустриальное масло – 0,076;

• жидкость АМГ-10 – 0,104.

При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного в ней газа, причем газ выделяется из жидкости интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

В движущейся жидкости возможны локальные изменения давления, например при обтекании твердых тел. При скоростях движения воды около 10 м/c и выше в зоне обтекания возможны участки с пониженным давлением. В этих местах давление может достичь давления насыщенных паров при данной температуре и произойдет «вскипание» жидкости. Затем возникшие пузырьки переносятся жидкостью в область более высокого давления, где они быстро исчезают. Такой процесс называется кавитацией.

Исчезновение пузырьков пара в зоне конденсации носит резкий, ударный характер и сопровождается мгновенным, локальным повышением давления. Механическое действие повышенного давления (местные удары при мгновенном заполнении жидкостью объемов, освободившихся в результате конденсации паро-воздушных пузырьков) приводит к разрушению материала конструкций в той области, где происходит явление кавитации, сопровождаемое характерным шумом и треском. Такое разрушение материала называется кавитационной эрозией.