Идеальная и реальная жидкости. Закон Ньютона о внутреннем трении

Жидкость – физическое тело, молекулы которого слабо связаны между собой. Поэтому незначительные силы способны легко изменить форму жидкости, которая способна сохранить объем, но не форму. В гидравлике жидкость рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. отвлекаются от молекулярного строения жидкости и её частицы, даже бесконечно малые, считают состоящими из большого числа молекул.

Реальной жидкостью называют жидкость, обладающую вязкостью (свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев).

Идеальная или невязкая жидкость является упрощенной моделью реальной (вязкой) жидкости. По предположению, идеальная жидкость имеет все свойства реальной, кроме вязкости.   рис. 1.1 Профиль скоростей течения жидкости.

Явление внутреннего трения с макроскопической точки зрения связано с возникновением сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся слой действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои газа. Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев.

Рассмотрим известный опыт Ньютона. Пусть имеются две параллельные пластинки (рис. 1), между которыми находится газ (жидкость).

Расстояние между пластинками h. Нижнюю пластинку будем удерживать неподвижно, верхнюю заставим двигаться в одном и том же направлении в своей плоскости с постоянной скоростью u₀.

Слой газа, непосредственно прилегающий к верхней пластинке, будет иметь ту же скорость u₀, что и пластинка, слой же газа, прилегающий к нижней пластинке, находится в покое. Как показывает опыт, любой промежуточный слой движется со скоростью u, пропорциональной расстоянию x от неподвижной пластинки, т. е.

Постоянная a определяется из условия, что при x = h u = u₀, т. е. u₀ = ah. Откуда a = u₀/h. Тогда выражение (3.3.1) примет вид

Таким образом, к верхней пластинке приложена сила F₁, лежащая в ее плоскости и имеющая то же направление, что и направление движения пластинки. Так как пластинка движется с постоянной скоростью u₀, то на пластинку должна действовать такая же по величине, но противоположно направленная сила F со стороны газа, которую назовем силой вязкого трения.

Из опыта следует, что абсолютная величина силы F₁ пропорциональна скорости u₀, с которой мы двигаем пластинку, и площади пластины, т. е.

где  – постоянный коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом вязкого трения.

21. Аномальные жидкости, отличающиеся по своим реологическим характеристикам от ньютоновской вязкой жидкости, широко используются в техно; логических процессах, связанных с переработкой полимеров и суспензий естественными аномальными жидкостями являются и многие нефти, биологические жидкости и коллоидные растворы, подобные раствору глинистых частиц в воде. Поэтому изучение движения аномальных жидкостей в пористой среде имеет большое прикладное значение для нефтяной и газовой промышленности и химической технологии.

Всеаномальные жидкости разделяют на три класса: стационарно реологические (не изменяющиеся во времени) - вязкопластичные, псевдопластичные и дилатантные; нестационарно реологические; вязкоупругие жидкости. Свойства и фильтрация некоторых аномальных жидкостей изучаются в физике пласта и подземной гидрогазодинамике. Эффективная (кажущаяся) вязкость, определяемая на реограмме котангенсами угла наклона к оси т прямых, соединяющих начало координат с точками кривой течения (точки А, А %, Аз на рис. 2.6), переменна.

Дляаномальной жидкости закон Дарси нарушается. Элементарные акты на капиллярных моделях пористых сред позволяют видеть качественную связь между реологическими и фильтрационными аномалиями.

Вязкостьаномальных жидкостей (так называемая структурная вязкость) при заданных температуре и давлении непостоянна и изменяется в зависимости от градиента скорости du / dy по мере разрушения структуры жидкости, а следовательно, не является физической константой, как вязкость нормальных жидкостей.

Вода -аномальная жидкость: имеет наибольшую плотность (наименьший удельный объем) при 4 С, при нагревании от 0 до 4 С ее объем сначала уменьшается, а затем увеличивается, принимая при 8 С то же значение, что - и при 0 С.