Вязкость жидкости

В реальности жидкость обладает вязкостью. Вязкость – это свойство реальной жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Силы внутреннего трения направлены по касательной к поверхности перемещающихся слоёв, причём данная сила направлена в сторону препятствующей движению более быстрого слоя, а следовательно в сторону со направленную с движением более медленного слоя.

Сила вязкости возникает тогда, когда имеется изменение (градиент) скорости в направлении перпендикулярном скорости.

Выберем некоторый объём жидкости изображённый в виде параллелепипеда. Разобьем её на слои. Каждый слой движется с какой то скоростью. Таким образом в направлении оси X (направлении перпендикулярном скорости) имеется изменение скорости жидкости или как говорят градиент скорости. Сила трения между слоями жидкости может быть определена следующим образом:

где: η – вязкость жидкости; S – площадь соприкасающихся слоёв.

Вязкость определяется физическими и химическими свойствами жидкости с увеличением температуры у жидкости вязкость уменьшается, а у газов увеличивается.

Течение жидкости можно условно разделить на 2 вида: ламинарное и турбулентное (вихревое). Ламинарным называется такое течение если линии тока остаются постоянными вдоль всего потока и слои жидкости не перемешиваются друг с другом. При турбулентном течении имеются составляющие вектора скорости в слоях жидкости. Нормальные по отношению к границам слоёв. Благодаря этому происходит проникновение частиц жидкости из одних слоёв в другие и взаимное перемешивание.

Ламинарное течение наблюдается при небольших скоростях. Турбулентное при больших. При ламинарном течении профиль вектора скорости в продольном сечении трубки тока жидкости. Он меняется так: вектор скорости принимает максимальное значение в близи средней линии тока. Минимальное значение равное нулю скорость жидкости принимает вблизи стенок трубки тока.

При турбулентном течении изменение скорости по продольному сечению значительно меньше.

Движение тел в жидкости или газе

На тело движущееся в жидкости или газе в общем случае действует две динамические силы, то есть силы которые возникают в процессе движения данного тела в жидкости или газе. Причём движение тела в жидкости или газе можно воспринимать как движение масс жидкости или газа относительно тела.

Подъёмная сила возникает в том случае если профиль тела движения в жидкости или газе имеет не симметричную относительно вектора скорости форму. Механизм возникновения подъёмной силы следующий: Благодаря не симметричности формы происходит изменение густоты линий тока в области под телом и над телом. Как видно из рисунка линии тока в области над телом гуще чем под телом, а следовательно скорость тела в области жидкости или газа над телом больше.

V–скорость масс жидкости или газа над телом.

Под телом скорость жидкости или газа уменьшается на ту же величину на которую она увеличилась над телом. Из уравнения Бернулли следует что над телом давыление уменьшается на некоторую величину ΔР/2, а над телом давление увеличивается на ту же величину. Таким образом появляется разность давлений ΔР под телом и над телом. Благодаря этому появляется подъёмная сила N, кроме того данный процесс сопровождается появлением циркуляции вектора скорости по контуру охватывающему контур крыла.

Жуковским была выведена формула определяющая подъёмную силу крыла

Vо – скорость движения тела; ρо – плотность жидкости или газа; L – длинна крыла; Г – циркуляция вектора скорости жидкости или газа по замкнутому контуру L охватывающему профиль крыла.

Механизм возникновения силы лобового сопротивления следующий: Она возникает при движении тела в реальных жидкостях или газах. Слой жидкости прилегающий к телу начинает двигаться вместе с телом и создает трение о соседние слои жидкости ( это первая причина возникновения лобового сопротивления). Частица жидкости или газа отрываясь от слоёв прилегающих к телу создает турбулентность (завихрение в области за телом). Благодаря этому возникает разность давлений в области за телом и перед телом. И это приводит к появлению силы лобового сопротивления.

Для того что бы уменьшить силу лобового сопротивления и увеличить подъёмную силу телам необходимо придать оптимальную форму. Вопрос решается как теоретическим путём так и экспериментальным.