流體的黏性
![黏性流體流過物面時的速度分布](/img/7/48a/wZwpmL2EzNwQDOzYzMyMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL2MzL0UzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
黏性流是黏性不可忽略的流體。實際流體都是有黏性的,不過有的大(如甘油、油漆、蜂蜜),有的小(如水、空氣)。流層間阻礙流體相對錯動(變形)趨勢的能力稱為流體的黏性。
假設有一股直勻流(速度均一,方向和大小不變),順著流動方向放置一塊無限薄的平板,流體的實際速度分布就變為右圖所示。流體在沒有流到平板以前速度原是均一的,一流到平板上,直接貼著平板的那層流體速度降為零(即滿足物面無滑移條件);沿著法線向外,流體速度逐漸由零變大(即存在速度梯度),直到離平板相當遠的地方流速才和原來沒有顯著差別。
生活中,比如河裡的流水,靠岸處的水流就比河中心的水流慢些。
黏性力的推導
![流體黏性力計算圖](/img/1/748/wZwpmL4QDMwAzMyIzNxMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyczLwUzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
設有上下兩塊平行放置的平板,其中下面一塊靜止不動,而上面一塊則沿水平方向向右勻速移動,如右圖所示。如果在該水平兩板之間有流體存在,當流體作整體運動,並且各層流體的運動速度不同時,各層流體之間就存在摩擦作用,通常稱為流體的內摩擦,或者流體的黏滯性。
![黏性力](/img/b/115/wZwpmL0UjNygDN0kTNxMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL5UzLxUzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/e/c27/wZwpmL0cDO0EDN4UDMxMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL1AzL3YzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
假設在任意高度處,選擇一平面S-S,將流體分為上下兩層,上層流體運動較快,下層流體運動較慢。由於流體的黏滯性,則在平面S-S上就存在黏性力P。該力對於上層流體來說是一個阻力,方向向左;而對於下層流體來說則相反,為一個動力,方向向右。如果S-S平面上流體的流速為 ,速度梯度為 。因此,黏性力的計算式即牛頓定律表達式為
![黏性力](/img/b/933/wZwpmL0ETM0cDNygjNwMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL4YzLzUzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/0/588/wZwpmL3gDM3MDM4MDMwEDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzAzLzMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
其中,A為S-S平面的面積; 為比例常數,稱為流體的黏性係數。
由此可見,黏性力與面積和速度梯度成正比。
黏性剪下應力
相對錯動流層間的一對摩擦力即為黏性剪下力。
![黏性力示意圖](/img/1/263/wZwpmLyQjN0EDO5kDMxMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL5AzL2AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/f/c64/wZwpmL1UTOzcDM1gDMyMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL4AzLyAzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/f/bc5/wZwpmLwEzNzczM0UTM5IDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzL1EzL3EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
鄰層流體速度有差別(即 )時,二者之間必有摩擦力在作用。單位面積上的摩擦力稱摩擦應力,記為 。這個力對於較快流層而言是一個阻礙流動的阻力,對於較慢流層而言是一個推動流動的拉力。
![黏性力](/img/f/bc5/wZwpmLwEzNzczM0UTM5IDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzL1EzL3EzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
牛頓提出,流體內部的摩擦應力 和速度梯度的關係為
![黏性力](/img/3/4fe/wZwpmL1EjMwcTNxkjNwMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL5YzLxEzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLxE2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/0/588/wZwpmL3gDM3MDM4MDMwEDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzAzLzMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
比例常數記為 ,則
![黏性力](/img/e/8ad/wZwpmL3IzM0YjMwIzNwMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyczLzAzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
![黏性力](/img/0/588/wZwpmL3gDM3MDM4MDMwEDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzAzLzMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
上式稱為牛頓粘性定律。 稱為黏度,單位是kg/(m·s)。
黏性的本質
流體分子在不停地進行著不規則的熱運動,不論流體是靜止狀態還是流動狀態。這種不規則的熱運動會使不同流層中的氣體質量進行交換,而流體各層速度不同的話,鄰層的兩個流體分子的動量也不同。鄰層之間既有質量交換,必有動量交換。快層流體分子由於熱運動跑到慢層流體分子中,便從快層流動帶走一份動量到慢層流動里,從而加快了慢層流體流動;反之,慢層流體分子由於熱運動跑到快層流體分子中,便從慢層流動帶走一份動量到快層流動里,從而減慢了快層流體流動。於是就產生了上文中的速度梯度。
![黏性力](/img/0/588/wZwpmL3gDM3MDM4MDMwEDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzLzAzLzMzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg)
所以,黏度 只決定於分子的熱運動速度,而流體的溫度正是分子熱運動的動能的一個直接標誌,因此 同一 流體的黏度只決定於流體的溫度,而與壓強無關。
液體和氣體的動力黏性係數隨溫度變化的趨勢相反,因為它們產生黏性的物理原因不同,前者主要來自於液體分子間的內聚力,黏度與溫度成正比;後者主要來自於氣體分子的熱運動,黏度與溫度成反比。