1.2 Вязкость

Жидкости и газы обладают еще одним свойством, которое называется вязкостью (или внутренним трением). Вы, наверно, и так, без всякой физики, скажите, у кого больше вязкость: у сгущенки или у воды? Конечно, у сгущенки! А вязкость воды и воздуха – у кого больше?.. Конечно, у воды!

Вязкость связана с трением. Но это не трение, например, воды о стенки трубы, по которой она течет. Там трение внешнее.

А вязкость - это трение одного слоя воды о другой, внутреннее трение. Дело в том, что в любом сечении потока жидкости, в разных местах потока жидкость имеет разную скорость. В центре трубы и у ее края скорости совсем не одинаковы.

РИС

У самой стенки, на поверхности твердого тела слой жидкости имеет нулевую скорость (не почти нулевую, а в точности нулевую - это проверено во многих экспериментах!). Естественно, что этот слой отстает от ближайшего соседнего. Тот, чуть более близкий к центру, уже будет иметь некоторую скорость. Каждый слой будет действовать на соседние, опережая одного соседа и отставая от другого. А где-то в центре будет слой (или струя) - лидер. В результате установится некоторое распределение скоростей для разных "струй" по сечению потока.

Все это хорошо известно любому, кто купался в реке, особенно в большой равнинной реке...

Теперь понятно, куда нужно направлять лодку или плот, если вы спешите?

(Это все справедливо для правильно текущей реки, на участке без поворотов, сильных мелей и порогов!)

------------------------

Задача: А знаете ли вы,

почему пыль так любит оседать на поверхности автомобиля? По той же самой причине!

РИС

Скажем, чемодан, если его не прикрепить, или шляпу с крыши машины обязательно сметет потоком набегающего воздуха. А пылинки - они маленькие, сидят себе тихо в приграничном с крышей слое воздуха и не высовываются - а там скорость ровно такая же, как у самой машины.

--------------------------

Так вот, наличие вязкости сильно осложняет изучение законов поведения жидкости и газов. Поэтому, в первом приближении изучают жидкости без трения. Хотя знаменитый математик и физик, "отец" всех компьютеров на свете Джон фон Нейман говорил, что пользоваться такой моделью жидкости - все равно, что изучать сухую воду.

Что ж, значит, будем изучать сухую воду...

Но сначала стоит ввести физическую величину, которая будет исключительно полезна при изучении поведения жидкостей. Это...

1.3 Давление. Нормальные и касательные силы

Заметим, что взаимодействие между твердыми телами могут происходить в отдельных точках (шариковая ручка на бумаге, волчок, кубик, поставленный на вершину), а взаимодействия между слоями жидкости, а также между жидкостью и твердым телом, происходят всегда по некоторой поверхности.

Поэтому для описания этого взаимодействия имеет смысл ввести понятие давления - отношение модуля силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

pF_n/S,

т.е. давление - это просто модуль нормальной силы, действующей на единичную площадку.

В принципе в жидкости или газе могут существовать как нормальные силы - направленные перпендикулярно выбранной площадке,

РИС

так и касательные.

Причем, по своему происхождению нормальные силы - это обычно силы упругости, которые препятствуют изменению объема жидкости или газа.

А касательные силы (они возникают только при движении жидкости) - это и есть силы внутреннего трения - одного слоя жидкости о другой.

Жидкость, в которой мы пренебрегаем наличием внутреннего трения (вязкости), называется идеальной.

Конечно, идеальных жидкостей не существует, но, например, любая жидкость, находящаяся в равновесии, удовлетворяет требованию идеальности: в ней существуют только силы нормального давления (силы упругости).

То же верно и для любой движущейся жидкости, в которой скорость изменения деформаций не слишком велика.