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黏性力
鎖定
實際流體都是有黏性的。黏性力是流體間阻礙流體相對錯動(變形)趨勢的摩擦力。
- 中文名
- 黏性力
- 外文名
- viscous force
黏性力流體的黏性
假設有一股直勻流(速度均一,方向和大小不變),順着流動方向放置一塊無限薄的平板,流體的實際速度分佈就變為右圖所示。流體在沒有流到平板以前速度原是均一的,一流到平板上,直接貼着平板的那層流體速度降為零(即滿足物面無滑移條件);沿着法線向外,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,比如河裏的流水,靠岸處的水流就比河中心的水流慢些。
黏性力黏性力的推導
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。
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説是一個阻力,方向向左;而對於下層流體來説則相反,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
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。
黏性力黏性剪切應力
相對錯動流層間的一對摩擦力即為黏性剪切力。
牛頓提出,流體內部的摩擦應力
和速度梯度的關係為
比例常數記為
,則
黏性力黏性的本質
流體分子在不停地進行着不規則的熱運動,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裏,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裏,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。
所以,黏度
只決定於分子的熱運動速度,而流體的温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温度,而與壓強無關。