1.4 Силы внутреннего трения

Примером поверхностных сил, действующих в жидкости, являются силы внутреннего трения, которые возникают между слоями только при движении жидкости, т. е. вязкостные свойства жидкой или газообразной среды проявляются только при движении.

Какими экспериментами мы можем доказать существование сил внутреннего трения, возникающих при движении реальных жидкостей?

Эксперимент 1. Если привести во вращение сосуд с водой, то вначале приходит во вращательное движение слой жидкости, прилипший к внутренней поверхности сосуда (рис. 3). Этот слой жидкости вращается со стенкой. Затем приходит в движение соседний внутренний слой и т.д. Так постепенно в движение приходит один слой за другим, и наконец вся масса жидкости в сосуде приходит во вращательное движение. Об этом можно судить по вращению цилиндра с флажком. Если сосуд остановить, то жидкость по инерции будет продолжать движение и наконец остановится. Вначале прекращают движение слои жидкости у стенки, затем слои, прилегающие к ним, и т. д.

Рис. 3. Демонстрация сил  внутреннего трения: а) опыт с вращением сосуда с жидкостью, б) схема обмена импульсом частиц соседних слоев

 

Каким образом вовлекаются в движение слой за слоем? Попробуем объяснить механизм по схеме на рис. 3. Напомним, что всякое изменение скорости (по величине и направлению) свидетельствует о появлении ускорения и, следовательно, сил, вызывающих это ускорение в соответствии с законом Ньютона $\overline{F}=m\overline{a}$.

Рассмотрим слои 1 и 2. Между слоями происходит обмен молекулами вследствие их хаотического (броуновского) движения. Но молекулы в слое 1 имеют количество движения $m\overline{{{\displaystyle V}}_1}$, а в слое 2 – $m\overline{{{\displaystyle V}}_2}$, причем, $\overline{{{\displaystyle V}}_1}>\overline{{{\displaystyle V}}_2}$. Таким образом, молекулы, переходящие в слой 2, приносят с собой большее количество движения и поэтому убыстряют слой 2, а молекулы, переходящие в слой 1, обладают меньшим импульсом и поэтому тормозят его. Результат такого обмена эквивалентен действию силы сопротивления.

Если для слоя 1 тормозящую его силу назвать силой сопротивления естественно, то для ускоряющегося слоя 2 силу, вызывающую ускорение, назвать тоже силой сопротивления кажется, на первый взгляд, неестественным. Однако противоречия здесь нет.

Вспомним определение силы сопротивления. По определению в механике сила сопротивления – это сила, противодействующая изменению состояния движения и направленная всегда против относительной скорости движения частицы.