4.6
Вязкость — это свойство жидкостей, измеряющее их сопротивление потоку. На него влияют такие факторы, как площадь контакта поверхности, градиент скорос…
Вязкость — это внутреннее трение или сопротивление течению в жидкости.
Вязкость возникает потому, что межмолекулярные взаимодействия заставляют соседние слои сопротивляться скольжению, создавая градиент скорости, который масштабируется от неподвижного поверхностного слоя до более быстро движущегося центра.
Для поддержания этого градиента применяется внешняя сила, пропорциональная площади и градиенту скорости, описанному законом вязкости Ньютона — связывающей приложенную силу и скорость расхода с физическими свойствами жидкости.
Константа пропорциональности — коэффициент вязкости
С повышением температуры вязкость жидкости обычно уменьшается, тогда как вязкость обычно увеличивается при повышении давления.
Число Рейнольдса — это безразмерное отношение инерционных и вязких сил в жидкости. Он определяет тип потока. Высокая вязкость способствует ламинарному потоку, поскольку вязкие силы доминируют, тогда как низкая вязкость способствует турбулентному потоку из-за доминирующих инерциальных сил.
Объём жидкости в ламинарном потоке задаётся уравнением Пуазёя, где R — радиус трубы, p1 и p2 — давления на входе и выходе, t — время расхода, η — коэффициент вязкости, а l — длина трубы.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What causes viscosity in fluids?
Viscosity arises from intermolecular interactions that cause adjacent fluid layers to resist sliding against each other. This resistance creates a velocity gradient, scaling from a stationary surface layer to faster-moving fluid at the center. The internal friction between layers opposes flow and requires external force to maintain motion.
Q2: How does Newton's law of viscosity relate force to flow?
Newton's law of viscosity states that viscous force is proportional to both the contact area and the velocity gradient, expressed as F = −ηA(dv/dz). The coefficient of viscosity η is the proportionality constant connecting applied force to flow rate. This relationship holds for gases and most liquids under laminar flow conditions.
Q3: How do temperature and pressure affect viscosity?
As temperature increases, liquid viscosity generally decreases because molecular motion overcomes intermolecular forces. Conversely, higher pressure tends to increase viscosity by compressing the fluid and strengthening intermolecular interactions. These relationships are critical for predicting fluid behavior across different conditions.
Q4: What does the Reynolds number tell us about fluid flow?
The Reynolds number is a dimensionless ratio of inertial to viscous forces that determines whether flow is laminar or turbulent. High viscosity promotes laminar flow with smooth, orderly motion where viscous forces dominate. Low viscosity favors turbulent flow with random velocity fluctuations when inertial forces dominate.
Q5: What is Poiseuille's equation used for?
Poiseuille's equation describes the volume flow rate through a cylindrical tube under laminar flow conditions. Flow rate is directly proportional to the pressure gradient and the fourth power of the tube radius, but inversely proportional to fluid viscosity and pipe length. This relationship is fundamental to understanding viscous flow in confined geometries.
Q6: What are the SI and non-SI units of viscosity?
The SI unit of viscosity is the Pascal-second (kg m⁻¹ s⁻¹). The non-SI unit is the poise, where 1 poise equals 10⁻¹ kg m⁻¹ s⁻¹. Centipoise and millipoise are also common measurements used in laboratory and industrial applications.
Q7: How do laminar and turbulent flow differ?
Laminar flow is smooth and orderly with stable velocity gradients where viscous forces dominate. Turbulent flow exhibits random velocity fluctuations and multidirectional fluid movement at high flow rates. Both are types of bulk flow, but turbulent flow occurs when Newton's law of viscosity breaks down and inertial forces become dominant.