Gesekan. Viskositas - gesekan internal
Gesekan merupakan fenomena yang tersebar luas. Gesekan pada kontak benda padat ditandai dengan koefisien gesekan geser(beras. 4.5, A ). Dalam mata kuliah mekanika teoritis, mereka juga belajar gesekan bergulir(seperti biasa, semuanya bermuara pada hubungan gerakan translasi dan rotasi). Dalam zat cair dan gas, benda mengalami pengalaman gesekan kental(beras. 4.5, B ). Penting, itu Setiap gaya gesek berhubungan dengan kecepatan.. Gaya gesekan berlawanan arah dengan kecepatan. Kekuatan gesekan kental selain itu dan ukurannya sebanding dengan kecepatan.
Beras. 4.5. Gaya gesekan yang bekerja pada benda yang bergerak: A- gaya gesekan geser F tr = μ N, μ - koefisien gesekan (slip); B- kekuatan gesekan kental F tr = γ V = η AV, γ - koefisien gesekan (gesekan kental), η - koefisien viskositas. Untuk sebuah bola, nilainya A= 6π R Dan F tr = 6πη rV
Karena gaya gesekan bergantung pada kecepatan, maka gaya tersebut tidak konservatif. Kerja gaya-gaya ini mengubah energi internal "pasangan gosok", dan tidak berfungsi untuk mengubah energi kinetik dan energi potensial benda menjadi satu sama lain, seperti kerja gaya konservatif (elastisitas, gravitasi, Coulomb). Perhatikan bahwa gaya tekanan gas juga non-konservatif F =hal, karena tekanan gas (atau cairan) dikaitkan dengan gerakan molekul, misalnya, dalam gas, tekanan sebanding dengan kuadrat rata-rata kecepatan hal~á V 2ñ.
Dengan demikian, fenomena yang berhubungan dengan gesekan berhubungan dengan mekanika (kecepatan) dan fisika molekuler ( kerja gaya gesekan memberikan perubahan energi dalam). Dualitas ini menyebabkan perubahan interpretasi terhadap beberapa posisi mekanika. Misalnya ketentuan tentang relativitas istirahat dan gerak. Ketika hanya gaya konservatif yang bekerja, mustahil membedakan gerak beraturan dan diam. Sehubungan dengan Bumi - kita beristirahat (Siapa yang tidak berputar di tempatnya!), Tetapi relatif terhadap Matahari? Lain halnya jika ada gaya gesekan di dalam permainan. Kemudian, ketika bergerak (meski seragam), panas dilepaskan. Ketika gaya gesekan diperhitungkan, keseimbangan gaya hanya terjadi selama gerak.
Pada akhirnya perubahan ini terjadi karena menurut hukum kedua Newton, akibat dari gaya adalah percepatan, tetapi gaya gesekan dapat mengubah resultan gaya tersebut sehingga terjadi keseimbangan dan tidak terjadi percepatan. Kebingungan dalam hal inilah yang menghalangi penemuan hukum mekanika oleh orang dahulu. Aristoteles melihat: dua kuda - satu kecepatan kereta; tiga kuda - lebih besar dari kecepatan kereta, oleh karena itu, Aristoteles menyimpulkan, kecepatan sebanding dengan jumlah "kuda", atau sebanding dengan gaya traksi, atau, secara umum, sebanding dengan gaya. Aristoteles percaya bahwa kecepatan sebanding dengan kekuatan. Faktanya, ketika gaya dorong meningkat, percepatan muncul, tetapi karena peningkatan kecepatan, gaya gesekan juga meningkat, dan keseimbangan tercapai dengan sangat cepat pada kecepatan baru ini. Aristoteles tidak melihat transisi tersebut. Dalam banyak kasus lain, "hukum Aristoteles" tidak sesuai dengan observasi. Siapa yang menggerakkan planet-planet? Dimana kudanya? Newton menjadikan mekanika sebagai “ilmu” ketika ia berhasil menggabungkan gerak “terestrial” dan “langit”. Aristoteles hanya mampu menjelaskan "duniawi".
Kembali ke fenomena gesekan, kita dapat mengatakan bahwa fenomena tersebut selalu ada kerangka acuan khusus- yang “tempat tubuh bergesekan”, dan gaya gesekan sangat bergantung pada kecepatan gerakan relatif terhadap sistem ini. Gaya gesekan "menerjemahkan" energi gerak menjadi energi internal suatu benda (lingkungan) yang dengannya benda yang bergerak bergesekan, dan dengan demikian memisahkannya dari semua benda lainnya.
Jadi, jika gaya-gayanya konservatif - semuanya bergerak relatif satu sama lain dengan kecepatan konstan dari kerangka acuan (disebut inersia) adalah sama, istirahat dan gerakan dengan kecepatan konstan adalah relatif. Jika gaya-gaya tersebut tidak konservatif, maka gaya-gaya tersebut bergantung pada kecepatan, yaitu kerangka acuan yang dipilih adalah kerangka acuan yang energi internalnya dilalui oleh energi gerak. Sekarang perdamaian Dan pergerakan mengenai sistem yang dibedakan ini dapat dengan mudah dibedakan. Jika ada "pemompaan" energi gerakan ke dalam - ada gerakan, jika tidak ada transfer - kedamaian.
Mengingat hanya gesekan ketika bergerak dalam zat cair atau gas, gunakan ciri-ciri fenomena yang disebut koefisien viskositas, sering berkata - adil viskositasη. Viskositas justru mencirikan sifat-sifat medium - cair atau gas. Oleh karena itu, viskositas tidak bergantung pada sifat-sifat benda yang bergerak (ukuran atau kecepatan, atau hal lain), tetapi hanya bergantung pada karakteristik medium (tekanan, suhu, atau lainnya) di mana gerakan itu terjadi. Pada akhirnya, koefisien viskositas bergantung pada sifat-sifat molekul medium tempat benda bergerak.
Sifat-sifat ini paling mudah diungkapkan dengan mempertimbangkan fenomena tersebut friksi internal. Memang tidak menjadi masalah apakah suatu benda bergerak relatif terhadap gas (cairan) atau salah satu bagian dari cairan (gas) bergerak relatif terhadap yang lain. Dalam kedua kasus tersebut, seseorang harus mengamati fenomena perpindahan energi gerak makroskopis(pergerakan sesuatu yang "besar" - benda atau bagian cairan) menjadi energi internal - pergerakan molekul- partikel mikroskopis (kecil).
Fenomena friksi internal(sering dipanggil fenomena viskositas) akibat timbulnya gaya gesek antar lapisan gas atau cairan, bergerak sejajar satu sama lain dengan kecepatan berbeda, dalam hal ini pemerataan kecepatan. Gaya gesekan, yang dalam hal ini muncul, diarahkan secara tangensial ke permukaan kontak lapisan.
Mari kita perhatikan mekanisme viskositas gas. Mengapa lapisan-lapisan yang berdekatan saling memperlambat selama pergerakannya? Model berikut akan membantu Anda memahami hal ini: bayangkan perahu bergerak menyusuri sungai dengan kecepatan berbeda ( beras. 6.6).
Beras. 4.6. Menuju penjelasan mekanisme viskositas. Detail dalam teks
Semakin dekat jarak perahu ke tengah sungai, semakin banyak pendayung yang berusaha. Perahu membawa semangka. Pedagang memutuskan untuk menukar barang. Semangka memiliki kecepatan perahu yang ditumpanginya. Oleh karena itu, ketika melempar semangka "cepat" ke perahu yang bergerak lambat, perahu tersebut dipercepat; kapal cepat melambat ketika ditabrak semangka yang bergerak lambat.
Fenomena gesekan internal mematuhi hukum Newton untuk gesekan kental (seringkali mereka mengatakan dan "Rumus Newton untuk gesekan viskos"):
Setelah semua yang telah dikatakan, formula ini tampaknya dibuat hanya dengan “tangan”. Memang: koefisien viskositas η menunjukkan asal usul gaya ini dari "gesekan", dV/dx menunjukkan perubahan kecepatan pergerakan lapisan relatif satu sama lain, karena dV/dx perubahan kecepatan per satuan panjang adalah batas dari ( V 2 – V 1)/(X 2 – X 1). Jelas sekali rumus Newton mempunyai bentuk persamaan transpor (tipe hukum Fick) ( 4.13 ). Di sebelah kanan - turunan (gradien), di sebelah kiri seharusnya mengalir. Aliran adalah sesuatu yang mengalir melalui suatu satuan luas S per satuan waktu Δ T. Area di tempat yang tepat dalam rumus adalah – bernilai F/S. Oleh karena itu, akan lebih baik untuk merepresentasikan gaya sebagai turunan dari "sesuatu" terhadap waktu. Mengingat hukum kedua Newton, kita dapat melihat bahwa gaya dapat direpresentasikan sebagai
Artinya, gaya merupakan turunan dari momentum.
Dengan demikian, rumus Newton - rumus perpindahan momentum. Pada tingkat molekuler, gesekan antar lapisan cairan atau gas yang mengalir (bergerak) dengan kecepatan berbeda mengakibatkan perpindahan molekul dari lapisan dengan kecepatan lebih tinggi ke lapisan dengan kecepatan lebih rendah ( beras. 4.7).
Beras. 4.7. Untuk penjelasan hukum viskositas. V + = V 0+D V = V + aku tga
Semua fenomena transpor dalam gas serupa. Hal ini terlihat jelas dari angka-angka yang bersangkutan (bandingkan beras. 4.2, 4.4 Dan 4.7 ). Difusi berhubungan dengan perbedaan konsentrasi, konduktivitas termal - perbedaan energi internal, gesekan internal (viskositas) - perbedaan kecepatan dalam arah tegak lurus gaya gesekan (fluks momentum). Volume yang molekulnya dalam waktu Δ T berhasil mengubah “tempat tinggal” mereka, mereka tetap sama. Oleh karena itu, dengan menghitung fluks, seperti yang telah dilakukan dua kali, kita menemukan fluks momentum:
Dibandingkan dengan rumus Newton, kita menemukan bahwa koefisien viskositas berbentuk:
Rumus ini baik untuk gas dan memungkinkan Anda menganalisis ketergantungan koefisien viskositas pada parameter gas. Untuk cairan - koefisien viskositas - karakteristik cairan diberikan dalam buku referensi.
Seringkali, alih-alih koefisien viskositas, yang disebut koefisien viskositas kinematik:
Pada akhirnya hukum gesekan(Hukum Newton) mempunyai bentuk
Nilai R adalah aliran momentum.
Menyimpulkan hasil studi tentang gaya gesekan viskos, kita perhatikan sekali lagi bahwa gaya yang bekerja pada "benda" sebanding dengan kecepatan V, dan gaya yang bekerja pada "lapisan" tersebut sebanding dengan turunan kecepatan dV/dx. Untuk cairan dengan viskositas tinggi, ketika lapisan terpisah berubah menjadi semacam "benda datar", perbedaan ini tidak signifikan. Memang, dalam kondisi berikut:
Di mana A- ketebalan lapisan batas, ketebalan cairan yang kecepatannya berubah secara signifikan.
Gaya gesekan kental yang ditimbulkan oleh benda yang bergerak dalam cairan atau gas (beras. 4.5, B ),disebut gaya Stokes. Tubuh menggerakkan cairan di depannya, dan menjauhi tubuh, cairan diam. Hal ini menciptakan perbedaan kecepatan antar lapisan. Rekor kekuatan Stokes ( rumus stokes) diperoleh langsung dari hukum Newton untuk gesekan viskos ( 4.33 ). Mari kita terapkan metode analisis dimensi.
Turunan dalam rumus ini kita ganti dengan nilai berdimensi sama V/A, Di mana A- seperti biasa (lihat rumus ( 4.39 )), kekentalan zat cair yang kecepatannya berubah secara signifikan. Setelah penggantian gaya gesekan viskos dalam hukum Newton, kuantitasnya S/A, yang mempunyai dimensi panjang (m). Dalam soal yang diselesaikan hanya ada satu nilai dimensi tersebut, yaitu ukuran benda. Jika bendanya adalah bola, maka ini adalah jari-jari bola tersebut R(cm. beras. 4..5, B ). Sekarang semua ketergantungan dimensi telah ditentukan, faktor numeriknya tetap tidak terdefinisi. Ternyata faktor ini bergantung pada bentuk tubuh. Untuk sebuah bola, nilainya sama dengan 6π. Kami akhirnya mendapatkannya rumus stokes:
F= 6π Rη V. (4.40)
Fluida ideal, mis. fluida yang bergerak tanpa gesekan adalah konsep abstrak. Semua cairan dan gas nyata, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, memiliki viskositas atau gesekan internal. Viskositas (gesekan internal), bersama dengan difusi dan konduktivitas termal, mengacu pada fenomena transfer dan hanya diamati pada cairan dan gas yang bergerak. Viskositas diwujudkan dalam kenyataan bahwa gerakan yang terjadi dalam zat cair atau gas, setelah berhentinya sebab-sebab yang menyebabkannya, berangsur-angsur berhenti.
Viskositas(gesekan internal) - salah satu fenomena perpindahan, sifat benda cair (cairan dan gas) untuk menahan pergerakan salah satu bagiannya relatif terhadap bagian lainnya. Akibatnya, energi yang dikeluarkan untuk gerakan ini hilang dalam bentuk panas.
Mekanisme gesekan internal pada cairan dan gas adalah molekul yang bergerak secara acak membawa momentum dari satu lapisan ke lapisan lainnya, yang mengarah pada pemerataan kecepatan - hal ini dijelaskan dengan masuknya gaya gesekan. Viskositas padatan memiliki sejumlah ciri khusus dan biasanya dipertimbangkan secara terpisah.
Dalam cairan, yang jarak antar molekulnya jauh lebih kecil dibandingkan dalam gas, viskositas terutama disebabkan oleh interaksi antarmolekul yang membatasi mobilitas molekul. Dalam cairan, suatu molekul dapat menembus lapisan yang berdekatan hanya jika rongga terbentuk di dalamnya, cukup bagi molekul untuk melompat ke sana. Apa yang disebut energi aktivasi aliran kental dihabiskan untuk pembentukan rongga (untuk "melonggarkan" cairan). Energi aktivasi berkurang dengan meningkatnya suhu dan penurunan tekanan. Inilah salah satu penyebab penurunan tajam viskositas cairan dengan meningkatnya suhu dan pertumbuhannya pada tekanan tinggi. Dengan peningkatan tekanan hingga beberapa ribu atmosfer, viskositas meningkat puluhan dan ratusan kali lipat. Teori ketat tentang viskositas cairan, karena kurangnya pengembangan teori keadaan cair, belum tercipta.
Viskositas masing-masing kelas cairan dan larutan bergantung pada suhu, tekanan, dan komposisi kimia.
Viskositas cairan bergantung pada struktur kimia molekulnya. Dalam rangkaian senyawa kimia serupa (hidrokarbon jenuh, alkohol, asam organik, dll.), Viskositas berubah secara teratur - meningkat seiring dengan bertambahnya berat molekul. Tingginya viskositas minyak pelumas disebabkan adanya siklus dalam molekulnya. Dua cairan dengan viskositas berbeda yang tidak bereaksi satu sama lain ketika dicampur memiliki viskositas rata-rata dalam campuran. Namun jika senyawa kimia terbentuk selama pencampuran, maka viskositas campuran bisa sepuluh kali lebih besar dari viskositas cairan awal.
Munculnya struktur spasial dalam cairan (sistem terdispersi atau larutan polimer) yang dibentuk oleh adhesi partikel atau makromolekul menyebabkan peningkatan viskositas yang tajam. Ketika fluida “terstruktur” mengalir, kerja gaya eksternal dikeluarkan tidak hanya untuk mengatasi viskositas, tetapi juga untuk menghancurkan struktur.
Dalam gas, jarak antar molekul jauh lebih besar daripada jari-jari aksi gaya molekul; oleh karena itu, viskositas gas terutama ditentukan oleh gerakan molekul. Di antara lapisan-lapisan gas yang bergerak relatif satu sama lain, terjadi pertukaran molekul yang konstan karena pergerakan kacau (termal) yang terus menerus. Transisi molekul dari satu lapisan ke lapisan berikutnya, bergerak dengan kecepatan berbeda, menyebabkan perpindahan dari lapisan ke lapisan dengan momentum tertentu. Akibatnya, lapisan yang lebih lambat akan mempercepat dan lapisan yang lebih cepat akan melambat. Pekerjaan kekuatan eksternal F, yang menyeimbangkan resistensi kental dan mempertahankan aliran yang stabil, sepenuhnya berubah menjadi panas. Viskositas suatu gas tidak bergantung pada densitas (tekanan) gas tersebut, karena ketika gas tersebut dikompresi, jumlah total molekul yang berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya meningkat, tetapi setiap molekul menembus lebih sedikit ke lapisan tetangganya dan mentransfer lebih sedikit momentum (Maxwell's hukum).
Viskositas merupakan karakteristik fisik dan kimia suatu zat yang penting. Nilai viskositas harus diperhitungkan ketika memompa cairan dan gas melalui pipa (pipa minyak, pipa gas). Viskositas terak cair sangat signifikan dalam proses tanur sembur dan perapian terbuka. Viskositas kaca cair menentukan cara pembuatannya. Dalam banyak kasus, viskositas digunakan untuk menilai kesiapan atau kualitas suatu produk atau produk setengah jadi, karena viskositas berkaitan erat dengan struktur suatu zat dan mencerminkan perubahan fisik dan kimia pada bahan yang terjadi selama proses teknologi. Viskositas oli sangat penting untuk menghitung pelumasan mesin dan mekanisme, dll.
Alat untuk mengukur viskositas disebut viskometer.
Gesekan internal terjadi pada zat cair karena interaksi molekul. Berbeda dengan gesekan luar yang terjadi pada titik kontak antara dua benda, gesekan dalam terjadi di dalam medium yang bergerak antar lapisan dengan kecepatan berbeda.
Pada kecepatan di atas kecepatan kritis, lapisan yang dekat dengan dinding terasa tertinggal di belakang lapisan tengah karena gesekan, timbul perbedaan kecepatan yang signifikan, yang menyebabkan terbentuknya pusaran.
Jadi, viskositas, atau gesekan internal dalam cairan, menyebabkan tidak hanya hilangnya energi akibat gesekan, tetapi juga formasi baru - pusaran.
Newton menemukan bahwa gaya viskositas, atau gesekan internal, harus sebanding dengan gradien kecepatan (nilai yang menunjukkan seberapa cepat kecepatan berubah ketika berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya dalam arah tegak lurus terhadap arah pergerakan lapisan) dan luasnya. di mana aksi gaya ini terdeteksi. Jadi, kita sampai pada rumus Newton:
, (I.149)
Di mana - koefisien viskositas, atau friksi internal, bilangan konstan yang menjadi ciri suatu cairan atau gas.
Untuk mengetahui arti fisis dari , mari kita masukkan rumus (I.149) detik –1, m 2 ; lalu secara numerik; karena itu, koefisien viskositas sama dengan gaya gesekan, yang muncul dalam cairan antara dua tempat di m 2, jika gradien kecepatan diantara keduanya sama dengan satu.
Satuan SI untuk viskositas dinamis = pascal - sekon (Pa s).
(Pa s) sama dengan viskositas dinamis medium di mana, dengan aliran laminar dan gradien kecepatan dengan modulus sama dengan (m / s) per (m), timbul gaya gesekan internal dalam (N) per ( m 2) dari permukaan kontak lapisan ( Pa s = N s / m 2).
Satuan yang diperbolehkan untuk digunakan hingga tahun 1980: poise (P), dinamai menurut ilmuwan Perancis Poiseuille, yang merupakan salah satu orang pertama (1842) yang memulai studi akurat tentang viskositas selama aliran cairan dalam tabung tipis (perbandingan antara satuan dinamis viskositas: 1 P \u003d 0,1 Pa s)
Ketenangan, mengamati pergerakan zat cair dalam pipa kapiler, dibawa hukum , Dimana:
, (I.150)
dimana volume cairan yang mengalir melalui tabung terhadap waktu;
Jari-jari tabung (dengan dinding halus);
Perbedaan tekanan di ujung tabung;
Durasi aliran cairan;
Panjang tabung.
Semakin besar viskositasnya, semakin besar gaya gesekan internal yang muncul di dalamnya. Viskositas bergantung pada suhu, dan sifat ketergantungan cairan dan gas berbeda:
q viskositas dinamis cairan menurun tajam dengan meningkatnya suhu;
q viskositas dinamis gas meningkat dengan meningkatnya suhu.
Selain konsep viskositas dinamis, konsepnya ketidakstabilan Dan viskositas kinematik.
ketidakstabilan disebut kebalikan dari viskositas dinamis.
Satuan SI untuk fluiditas = m 2 / (N s) = 1 / (Pa s).
Viskositas kinematik adalah rasio viskositas dinamis terhadap kepadatan medium.
Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah m2/s.
Sampai tahun 1980, satuan yang diperbolehkan untuk digunakan: stokes (St). Hubungan antar satuan viskositas kinematik:
1 pukulan (St) = 10 -4 m 2 / s.
Ketika benda berbentuk bola bergerak dalam zat cair, ia harus mengatasi gaya gesekan:
. (I.153)
Rumus (I.153) adalah hukum Stokes .
Penentuan kekentalan suatu zat cair dengan viskometer Goeppler didasarkan pada hukum Stokes. Sebuah bola diturunkan ke dalam pipa yang berdiameter tertentu, diisi dengan zat cair yang harus ditentukan kekentalannya, dan diukur kecepatan jatuhnya, yang merupakan ukuran kekentalan zat cair.
Ilmuwan Inggris O. Reynolds pada tahun 1883, sebagai hasil penelitiannya, sampai pada kesimpulan bahwa kriteria yang mencirikan pergerakan zat cair dan gas dapat berupa bilangan yang ditentukan oleh himpunan besaran tak berdimensi yang berkaitan dengan fluida tertentu dan pergerakan tertentu. Susunan bilangan-bilangan abstrak ini disebut bilangan Reynolds, seperti.
Viskositas (gesekan internal) - itu adalah sifat cairan nyata untuk menahan pergerakan satu bagian cairan relatif terhadap bagian lainnya. Ketika beberapa lapisan fluida nyata bergerak relatif terhadap lapisan lainnya, timbul gaya gesekan internal yang diarahkan secara tangensial ke permukaan lapisan tersebut. Aksi gaya-gaya ini diwujudkan dalam kenyataan bahwa dari sisi lapisan yang bergerak lebih cepat, lapisan yang bergerak lebih lambat dipengaruhi oleh gaya percepatan. Dari sisi lapisan yang bergerak lebih lambat, lapisan yang bergerak lebih cepat dipengaruhi oleh gaya perlambatan.
Kekuatan gesekan internal F semakin besar, semakin besar luas permukaan lapisan S (Gbr. 52), dan bergantung pada seberapa cepat kecepatan aliran fluida berubah selama transisi dari lapisan ke lapisan.
Gambar tersebut menunjukkan dua lapisan yang berjarak satu sama lain pada jarak x dan bergerak dengan kecepatan v 1 dan v 2 Pada saat yang sama v 1 -v 2 = v. Arah penghitungan jarak antar lapisan, tegak lurus laju aliran lapisan. Nilai v/x menunjukkan seberapa cepat kecepatan berubah ketika berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya dalam satu arah X, tegak lurus terhadap arah gerak lapisan, dan disebut gradien kecepatan. Jadi, modulus gaya gesekan internal
dimana adalah koefisien proporsionalitas , tergantung pada sifat zat cairnya disebut viskositas dinamis(atau sederhananya viskositas).
Satuan viskositas adalah pascal sekon (Pa s): 1 Pa s sama dengan viskositas dinamis medium di mana, dengan aliran laminar dan gradien kecepatan dengan modul sama dengan 1 m / s per 1 m, internal timbul gaya gesek sebesar 1 N per 1 m 2 permukaan yang menyentuh lapisan (1 Pa s = 1 N s / m 2).
Semakin besar viskositasnya, semakin besar perbedaan cairan dari cairan ideal, semakin besar gaya gesekan internal yang muncul di dalamnya. Viskositas bergantung pada suhu, dan sifat ketergantungan ini untuk cairan dan gas berbeda (untuk cairan, m] menurun dengan meningkatnya suhu, untuk gas, sebaliknya, meningkat), yang menunjukkan perbedaan di dalamnya
mekanisme gesekan internal. Viskositas minyak sangat bergantung pada suhu. Misalnya saja kekentalan minyak jarak pada kisaran 18-40 ° DENGAN jatuh empat kali. Fisikawan Soviet P. L. Kapitsa (1894-1984; Hadiah Nobel 1978) menemukan bahwa pada suhu 2,17 K, helium cair berubah menjadi keadaan superfluida yang viskositasnya nol.
Ada dua mode aliran fluida. Arus disebut laminar (berlapis), jika sepanjang aliran setiap lapisan tipis yang dipilih meluncur relatif terhadap tetangganya tanpa bercampur dengannya, dan turbulen (pusaran), jika pembentukan pusaran intensif dan pencampuran cairan (gas) terjadi di sepanjang aliran.
Aliran laminar suatu zat cair diamati pada kecepatan pergerakannya yang rendah. Lapisan luar cairan yang berdekatan dengan permukaan pipa tempat ia mengalir, karena gaya kohesi molekul, menempel padanya dan tetap tidak bergerak. Kecepatan lapisan berikutnya semakin besar, semakin besar jaraknya dari permukaan pipa, dan lapisan yang bergerak sepanjang sumbu pipa memiliki kecepatan tertinggi.
Pada aliran turbulen, partikel fluida memperoleh komponen kecepatan yang tegak lurus aliran, sehingga dapat berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya. Kecepatan partikel cairan meningkat dengan cepat ketika mereka menjauh dari permukaan pipa, kemudian berubah sedikit. Karena partikel-partikel cairan berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya, kecepatannya di lapisan yang berbeda sedikit berbeda. Karena gradiennya besar
kecepatan, vortisitas biasanya terbentuk di dekat permukaan pipa.
Profil kecepatan rata-rata untuk aliran turbulen dalam pipa (Gbr. 53) berbeda dari profil parabola untuk aliran laminar dengan peningkatan kecepatan yang lebih cepat di dekat dinding pipa dan lebih sedikit kelengkungan di bagian tengah aliran.
Ilmuwan Inggris O. Reynolds (1842-1912) pada tahun 1883 menetapkan bahwa sifat aliran bergantung pada besaran tak berdimensi yang disebut bilangan Reynolds:
dimana v = / - viskositas kinematik;
- kepadatan cairan; (v) adalah kecepatan fluida yang dirata-ratakan pada bagian pipa; D- dimensi linier karakteristik, seperti diameter pipa.
Pada nilai bilangan Reynolds yang rendah (Re1000), terjadi aliran laminar, peralihan dari aliran laminar ke turbulen terjadi pada daerah 1000: Re2000, dan pada Re = 2300 (untuk pipa halus) alirannya turbulen. Jika bilangan Reynolds sama, maka pola aliran berbagai cairan (gas) dalam pipa dengan penampang berbeda adalah sama.
Viskositas- ini adalah sifat gas, cairan, dan padatan, yang mencirikan ketahanannya terhadap aliran di bawah pengaruh gaya eksternal. Mari kita memikirkan tentang viskositas gas. Karena viskositas, kecepatan pergerakan berbagai lapisan gas menjadi sama, dan ini terjadi karena molekul, karena gerakan termal yang kacau, dapat berpindah dari satu lapisan gas ke lapisan gas lainnya. Beralih dari lapisan yang bergerak cepat ke lapisan yang lebih lambat, molekul-molekul mentransfer momentumnya ke lapisan yang terakhir. Dan sebaliknya, molekul-molekul suatu lapisan yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah, melewati lapisan yang bergerak cepat, mempunyai efek perlambatan, karena molekul-molekul tersebut membawa momentum gerak makroskopis yang lebih kecil dari momentum rata-rata lapisan cepat. Dengan demikian, viskositas - inilah fenomena perpindahan momentum dari gerak makroskopis lapisan materi.
Beras. 4.31.
Mari kita perhatikan hukum yang dipatuhi oleh fenomena viskositas. Untuk melakukan ini, bayangkan sebuah media kental yang terletak di antara dua pelat datar sejajar (Gbr. 4.31) bergerak dengan kecepatan berbeda.
Biarkan salah satu lempeng diam dan lempeng lainnya bergerak dengan kecepatan tetap. v, sejajar dengan bidang lempeng (lihat Gambar 4.31) - hal yang sama dapat dibandingkan dengan pergerakan relatif lempeng, yang masing-masing memiliki kecepatan bukan nol. Jika terdapat media kental di antara pelat-pelat tersebut, maka untuk menggerakkan pelat yang bergerak dengan kecepatan konstan (dengan tetap menjaga jarak yang sama antar pelat), perlu diterapkan gaya konstan yang diarahkan sepanjang kecepatan. F, karena medium menolak gerakan tersebut. Jelasnya, gaya tangensial akan bekerja pada medium antara masing-masing lapisannya. Pengalaman menunjukkan bahwa kekuatan F yang harus diterapkan pada pelat untuk mempertahankan kecepatan konstan, sebanding dengan kecepatan ay piring dan luasnya S dan berbanding terbalik dengan jarak antar pelat Lx. Dalam batas di Dx - "Oh, kekuatan ini
di mana n adalah konstanta koefisien untuk cairan tertentu, disebut koefisien viskositas dinamis.
Ini adalah gaya yang harus diterapkan agar dua lapisan media kental dapat meluncur satu sama lain dengan kecepatan konstan. Ini sebanding dengan bidang kontak S lapisan dan gradien kecepatan du/dx tegak lurus terhadap arah gerak lapisan. Pernyataan ini adalah Hukum gesekan internal Newton.
Untuk mengungkap arti fisis dari koefisien viskositas p, kita mengalikan ruas kiri dan kanan persamaan (4.192) dengan Pada. Pada kasus ini Gemuk
Ri(du/dx)5AA Gemuk(impuls gaya), sama dengan Ar(peningkatan momentum benda), mis.
Di mana Ar - perubahan momentum elemen aliran karena perubahan kecepatan gerak.
Koefisien viskositas dinamis p secara numerik sama dengan momentum gerak makroskopik, yang ditransfer per satuan waktu melalui penampang satuan luas lapisan yang bersentuhan (tegak lurus terhadap sumbu X pada gambar. 4.31) dengan gradien kecepatan sepanjang arah yang sama sama dengan satu. Dalam fenomena viskositas, besaran yang ditransfer adalah momentum gerak makroskopis molekul G(x) = mv(x). Dengan memperhitungkan (4.181)-(4.185), persamaan (4.192), (4.193) untuk gesekan viskos menghasilkan:
Di belakang satuan viskositas dinamis dalam SI koefisien viskositas medium diambil di mana, dengan gradien kecepatan sama dengan satu, impuls sebesar 1 kg m/s ditransfer melalui area seluas 1 m 2. Jadi, satuan SI untuk koefisien viskositas adalah kg/(m·s). Satuan viskositas dalam sistem CGS (g/(cm s)) yang banyak digunakan disebut poise (Pz) (untuk menghormati fisikawan Perancis J. Poiseuille). Dalam tabel, viskositas biasanya dinyatakan dalam satuan submultiple centipoise (cP). Perbandingan antara satuan-satuan tersebut: 1 kg / (m s) = 10 Pz.
Selain koefisien viskositas dinamis, untuk mengkarakterisasi aliran, koefisien viskositas kinematik v juga diperkenalkan, yang sama dengan rasio viskositas dinamis p medium terhadap kepadatannya p, yaitu. v = r/r. Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah m2/s. Dalam CGS, v diukur dalam Stokes (St): 1 St = 1 cm 2 / s.
Viskositas dinamis cairan digambarkan oleh ketergantungan eksponensial pada suhu T hal ~ pengalaman(b/t), dengan konstanta karakteristik untuk setiap cairan B.
Data tentang hukum-hukum dasar dan besaran-besaran dalam fenomena perpindahan, yaitu. tentang koefisien difusi, konduktivitas termal dan viskositas diberikan dalam tabel. 4.5. Perkiraan nilai koefisien fenomena perpindahan gas, zat cair dan zat padat dapat dilihat pada Tabel. 4.6.
- Disini p kembali merupakan impuls, p = mv.
