Сили в’язкого тертя

У попередньому розділі ми розглядали рух рідини і газу, знехтувавши силами в'язкого тертя. Тим часом, ці сили, що діють між частинками рухомої рідини, можуть кардинальним чином впливати як на розподіл швидкостей в потоці рідини, так і на обтікання рідиною тіл, розміщених в рухомому потоці.

Ньютон встановив дослідним шляхом, що при ковзанні одної відносно другої двох паралельних площин, простір між якими заповнено рідиною, сили в’язкого тертя перешкоджають цьому ковзання (рис. 1.78). Так, при русі зі швидкістю υ верхньої пластини з площею S щодо нижньої, виникає сила в’язкого тертя, спрямована проти руху і рівна

(1.194)

Ця сила пропорційна площі S та зміні швидкості на одиницю довжини в поперечному напрямку (градієнту швидкості в напрямку перпендикулярному руху). Коефіцієнт пропорційності η називається динамічною в’язкістю. Із формули (6.42) слідує, що він чисельно рівний силі в’язкого тертя, що виникає між шарами площею S = 1 при градієнті швидкості = 1 c^-1. Одиниці вимірювання коефіцієнта динамічної в’язкості: [η] = Па∙с.

Важливо відзначити, що частинки рідини, прилеглі до верхньої пластини, рухаються разом з нею зі швидкістю (захоплюються пластиною). Навпаки, частинки рідини поблизу нижньої (нерухомої) пластини перебувають у спокої (прилипають до пластини). Якщо подумки розбити рідину на паралельні плоскі шари, що рухаються рівномірно, то неважко зрозуміти, що кожен вище розміщений шар захоплює за собою нижній сусідній шар з силою . У свою чергу, цей нижній шар гальмує рух верхнього шару з силою, чисельно рівною . На кожен шар діє зверху і знизу дві рівні, але протилежні сили. Швидкість шарів наростає лінійно з їх висотою (рис. 1.79), а сила тертя передається від одного шару до іншого. Як результат, зусилля F = F_m, прикладене до верхньої пластини, передається на нижню пластину. Коефіцієнт в’язкості рідини η визначається експериментально, наприклад, за швидкістю її витікання із трубки певного розміру. Як показує досвід, з нагріванням в’язкість рідини зменшується, а газів – збільшується. Пояснення такої різної поведінки коефіцієнта в’язкості буде дано в курсі "Молекулярна фізика".