Рух тіл в рідинах і газах. Сила опору
У всіх реальних рідинах при переміщенні одних верств щодо інших виникають більш-менш значні сили тертя.
З боку шару, що рухається швидше, на шар, який рухається повільніше, діє прискорювальна сила. З боку ж шару, що рухається повільніше, на шар, який рухається швидше, діє гальмівна сила. Це внутрішнє тертя називається в’язкістю рідини чи газу. Ці сили спрямовані по дотичній до поверхні шарів. Нехай між двома площинами знаходиться шар рідини (рис. 1); верхня площина рухається щодо нижньої зі швидкістю. Подумки розіб’ємо рідина на дуже тонкі шари паралельними площинами, віддаленими на відстані один від одного. Шари рідини, що стосуються твердих тіл, прилипають до них. Проміжні шари мають розподіл швидкостей, зображених на рис. 1. Нехай різниця швидкостей між сусідніми шарами. Величина, яка показує, як швидко змінюється швидкість при переході від шару до шару, називається градієнтом швидкості.
Розрахунки показують, що сила внутрішнього тертя між сусідніми шарами рідини тим більше, чим більше площа поверхні зіткнення шарів, і залежить від швидкості зміни швидкості при переході від шару до шару в напрямку осі Ox, перпендикулярній швидкості руху шарів:
Де S – площа зіткнення шарів, – коефіцієнт внутрішнього тертя, або в’язкість рідини, – градієнт швидкості.
В’язкість залежить від температури. З ростом температури в’язкість рідини зменшується.
При русі твердого тіла в рідині або газі також виникає сила опору руху, яку називають силою в’язкого тертя. Але на відміну від сухого тертя в рідинах і газах відсутня сила тертя спокою. Наявність сили опору руху тіла в середовищі пояснюється існуванням внутрішнього тертя, обумовленого відносним рухом шарів рідини чи газу.
Встановлено, що сила в’язкого тертя залежить від швидкості руху тіла. Залежність проекції сили в’язкого тертя від швидкості показана на малюнку 2.
Якщо швидкість руху тіла невелика, то сила опору прямо пропорційна модулю швидкості:, де k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від роду в’язкої середовища, форми і розмірів тіла. Якщо швидкість руху тіла зростає, то зростає і сила опору:
При збільшенні швидкості руху тіла в рідині або газі з’являються вихори, які гальмують рух: внаслідок в’язкості в області, прилеглої до поверхні тіла, утворюється прикордонний шар частинок, що рухаються з меншими швидкостями. В результаті гальмуючого дії цього шару виникає обертання частинок, і рух рідини в прикордонному шарі стає вихровим. Якщо тіло не має обтічної форми, то прикордонний шар рідини відривається від поверхні тіла. За тілом виникає протягом рідини (газу), спрямоване протилежно набігаючого потоку. Відірвався прикордонний шар, слідуючи за цією течією, утворює вихори, що обертаються в протилежні сторони, (рис. 3, б). Рідина, що обертається у вихорі, рухається швидше рідини в стаціонарному потоці (рис. 3, а). Тому з заднього боку обтічного тіла, де утворилися вихори, тиск стає менше, ніж з передньою. Різниця тисків попереду і позаду рухомого тіла і створює опір руху тіла. У підсумку зі збільшенням швидкості сила опору зростає нелінійно (див. Рис. 2).
Різниця тисків попереду і позаду рухомого тіла
Рис. 3
Сила опору залежить від форми тіла. Додання тілу спеціально розрахованої обтічної форми істотно зменшує силу опору, так як в цьому випадку рідина усюди прилягає до його поверхні і позаду нього не завихрюючись (рис. 3, в).
(2 votes, average: 3.50 out of 5)