Моделі в'язкості

В'язкість

В'язкість або внутрішнє тертя - властивість рідин чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої. В'язкість рідин - це результат взаємодії внутрішньомолекулярних силових полів, що перешкоджають відносному русі двох шарів рідини. Так що для переміщення шару один відносно одного треба подолати їх взаємне притягання, причому чим воно більше, тим більше потрібна сила зсуву. При відносному зміщенні шарів в газовому середовищі, в результаті перенесення молекулами газу кількості руху під час їх переходу з шару в шар, виникає дотична сила між шарами, що протидіє ковзанню останніх.

Таким чином, внутрішнє тертя в рідині, на відміну від газів, зумовлене не обміном молекул, а їх взаємним притяганням. Доказом цього є те, що із збільшенням температури, як відомо, обмін молекул зростає і тертя в газах зростає, а в рідинах спадає у зв'язку із послабленням міжмолекулярного притягання.

Рис. 1. Поведінка рідини із малою(вгорі) і великою(внизу) в'язкістю

Сила в'язкого тертя

Сила в'язкого тертя F, що діє на рідину, пропорційна (в найпростішому випадку сдвигового течії вздовж плоскої стінки) швидкості відносного руху v тел і площі S і обернено пропорційна відстані між площинами h:

Коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи рідини або газу, називають коефіцієнтом динамічної в'язкості. Цей закон був запропонований Ісааком Ньютоном в 1687 році і носить його ім'я (закон в'язкості Ньютона). Експериментальне підтвердження закону було отримано на початку XIX століття в дослідах Кулона з крутильними вагами і в експериментах Хагена і Пуазейля з плином води в капілярах.

Моделі в'язкості

Закон Ньютона для в'язкості, наведений вище, є класичною моделлю в'язкості. Це не основний закон природи, а наближення, що має місце для деяких матеріалів і не підтверджується для інших. Неньютонівської рідини мають значно складніший зв'язок між напруженням зсуву і градієнтом швидкості, ніж проста лінійність. Тому, для різних видів рідин застосовують різні моделі в'язкості:

Рис. 2. Залежність дотичного напруження зсуву від градієнта швидкості рідини і колоїдних систем

• Ньютонівська рідина: рідина, така як вода і більшість газів, що має стале значення динамічної в'язкості.

Рідина ньютонівська – модель рідини, що являє собою суцільне рідке тіло, для якого дотичні напруження внутрішнього тертя , спричиненого відносним проковзуванням (зсувом) шарів рідини прямо пропорційні першому степеню градієнта швидкості у напрямі, перпендикулярному до напрямку проковзування:

Рис. 3. Розподіл швидкості у пристінних шарах ньютонівських рідин

• Дилатантна рідина: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зростає (глиняні суспензії, солодкі суміші, гідрозоль кукурудзяного крохмалю, системи пісок/вода).

Псевдопластик: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зменшується (фарби, емульсії, деякі суспензії). Тиксотропна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зменшується (водоносні ґрунти (пливуни), біологічні структури, різні технічні матеріали). Реопексна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зростає (гіпсові пасти, суспензії оксиду ванадію, бетоніти та окремі види принтерного чорнила). Бінгамівський пластик: модель Бінгама схожа до моделі сухого тертя. В статичних умовах рідина веде себе як твердий матеріал, а при силовому впливі починає текти.. Магнітореологічна рідина це тип "смарт-рідини", яка, при впливі магнітного поля значно збільшує свою умовну в'язкість і набуває властивостей в'язко-пружного твердого тіла.