Síla viskózního tření. Studium viskózních třecích sil Odporová síla při pohybu ve viskózním prostředí
![Síla viskózního tření. Studium viskózních třecích sil Odporová síla při pohybu ve viskózním prostředí](https://i1.wp.com/helpiks.org/helpiksorg/baza6/271240066104.files/image004.gif)
Objektivní: studium jevu viskózního tření a jedné z metod stanovení viskozity kapalin.
Nástroje a příslušenství: kuličky různých průměrů, mikrometr, posuvné měřítko, pravítko.
Základy teorie a metody experimentu
Všechny skutečné kapaliny a plyny mají vnitřní tření, nazývané také viskozita. Viskozita se projevuje zejména tím, že pohyb, který v kapalině nebo plynu vznikl po odeznění příčin, které jej způsobily, se postupně zastavuje. Z každodenní zkušenosti je například známo, že pro vytvoření a udržení konstantního proudění tekutiny v potrubí je nutné mít tlakový rozdíl mezi konci potrubí. Vzhledem k tomu, že při ustáleném proudění se tekutina pohybuje bez zrychlení, nutnost působení tlakových sil ukazuje, že tyto síly jsou vyváženy nějakými silami, které pohyb zpomalují. Tyto síly jsou síly vnitřního tření.
Lze rozlišit dva hlavní způsoby proudění kapaliny nebo plynu:
1) laminární;
2) turbulentní.
V režimu laminárního proudění lze proud kapaliny (plynu) rozdělit do tenkých vrstev, z nichž každá se pohybuje v obecném proudění svou vlastní rychlostí a nemísí se s jinými vrstvami. Laminární proudění je stacionární.
V turbulentním režimu se proudění stává nestabilním – rychlost částic se v každém bodě prostoru neustále náhodně mění. V tomto případě dochází v proudu k intenzivnímu promíchávání kapaliny (plynu).
Uvažujme režim laminárního proudění. Vyčleňme dvě vrstvy v toku s plochou S, umístěný ve vzdálenosti ∆ Z od sebe a pohybují se různou rychlostí. PROTI 1 a PROTI 2 (obr. 1). Potom mezi nimi vzniká viskózní třecí síla úměrná gradientu rychlosti D PROTI/D Z ve směru kolmém ke směru proudění:
Kde koeficient μ se podle definice nazývá viskozita nebo koeficient vnitřního tření, D PROTI=PROTI 2-PROTI 1.
Z (1) je vidět, že viskozita se měří v pascal sekundách (Pa s).
Je třeba poznamenat, že viskozita závisí na povaze a stavu kapaliny (plynu). Zejména hodnota viskozity může výrazně záviset na teplotě, která je pozorována např. ve vodě (viz příloha 2). Nezohlednění této závislosti v praxi může v některých případech vést k významným nesrovnalostem mezi teoretickými výpočty a experimentálními daty.
V plynech je viskozita způsobena srážkou molekul (viz Příloha 1), v kapalinách mezimolekulárními interakcemi, které omezují pohyblivost molekul.
Hodnoty viskozity pro některé kapalné a plynné látky jsou uvedeny v příloze 2.
Jak již bylo uvedeno, proudění kapaliny nebo plynu může probíhat jedním ze dvou režimů - laminárním nebo turbulentním. Anglický fyzik Osborne Reynolds zjistil, že povaha proudění je určena hodnotou bezrozměrné veličiny
Kde je veličina zvaná kinematická viskozita, PROTI je rychlost tekutiny (nebo tělesa v tekutině), D je nějaká charakteristická velikost. V případě proudění kapaliny v potrubí pod D pochopit charakteristickou velikost průřezu této trubky (například průměr nebo poloměr). Když se tělo pohybuje v tekutině D pochopit charakteristickou velikost tohoto tělesa, například průměr koule. Pro hodnoty Re< 1000 proudění je považováno za laminární, at Re> 1000 se proudění stává turbulentním.
Jednou z metod měření viskozity látek (viskometrie) je metoda padající koule, neboli Stokesova metoda. Stokes ukázal, že míč se pohybuje rychlostí PROTI ve viskózním prostředí je viskózní třecí síla rovna , kde D je průměr koule.
Zvažte pohyb míče při pádu. Podle druhého Newtonova zákona (obr. 2)
Kde F— síla viskózního tření, — Archimedova síla, — gravitační síla, ρ A A ρ jsou hustoty kapaliny a materiálu kuliček. Řešením této diferenciální rovnice bude následující závislost rychlosti míče na čase:
Kde PROTI 0 je počáteční rychlost míče a
Je rychlost ustáleného pohybu (at T>>τ). Množství je doba relaxace. Tato hodnota ukazuje, jak rychle se ustaví stacionární režim pohybu. Obvykle se to považuje T≈3τ se pohyb prakticky neliší od stacionárního. Tedy měřením rychlosti PROTIV lze vypočítat viskozitu kapaliny. Všimněte si, že Stokesův vzorec je použitelný pro Reynoldsova čísla menší než 1000, to znamená v laminárním režimu proudění tekutiny kolem míče.
Laboratorní přístroj pro měření viskozity kapalin Stokesovou metodou je skleněná nádoba naplněná zkoumanou kapalinou. Míče jsou házeny shora, podél osy válce. V horní a spodní části nádoby jsou vodorovné značky. Měřením času pohybu míčku mezi značkami stopkami a znalostí vzdálenosti mezi nimi se zjistí rychlost rovnoměrného pohybu míčku. Pokud je válec úzký, musí být výpočetní vzorec opraven o vliv stěn.
S přihlédnutím k těmto korekcím bude mít vzorec pro výpočet viskozity tvar:
Kde L - vzdálenost mezi značkami, D je průměr vnitřku nádoby.
Zakázka
1. Pomocí posuvného měřítka změřte vnitřní průměr nádoby, pomocí pravítka změřte vzdálenost mezi vodorovnými značkami na nádobě a pomocí mikrometru změřte průměry všech kuliček použitých v experimentu. Předpokládá se gravitační zrychlení 9,8 m/s2. Hustota kapaliny a hustota hmoty kuliček jsou uvedeny na laboratorním nastavení.
2. Ponořte kuličky jednu po druhé do kapaliny a změřte dobu, za kterou každá z nich projde mezi značkami. Výsledky zaznamenejte do tabulky. V tabulce je uvedeno číslo pokusu, průměr kuličky a doba jejího průchodu a také výsledek výpočtu viskozity pro každý pokus.
STANOVENÍ KOEFICIENTU VNITŘNÍHO TŘENÍ
Kapaliny s nízkou viskozitou
Stanovení viskozity
Příklady projevu viskozity kapaliny
Ideální tekutina, tzn. tekutina bez tření, je abstrakce. Všechny skutečné kapaliny nebo plyny mají ve větší či menší míře viskozitu neboli vnitřní tření. Viskozita se projevuje tím, že pohyb, který v kapalině nebo plynu vznikl po odeznění příčin, které jej způsobily, se postupně zastavuje.
Uvažujme také o následujících příkladech, ve kterých se projevuje viskozita kapaliny. Takže podle Bernoulliho zákona pro ideální tekutinu je tlak v potrubí konstantní, pokud se jeho průřez a výška nemění. Jak je však známo, tlak podél takové trubky klesá rovnoměrně, jak je znázorněno na Obr. jeden.
Rýže. 1. Pokles tlaku v potrubí s pohybující se kapalinou.
Tento jev se vysvětluje přítomností vnitřního tření v kapalině a je doprovázen přenosem části její mechanické energie do vnitřní.
Při laminárním proudění tekutiny potrubím (obr. 2) se rychlost vrstev plynule mění od maxima (podél osy potrubí) k nule (u stěn).
Z mechanického hlediska kterákoli z vrstev zpomaluje pohyb sousední vrstvy umístěné blíže k ose potrubí (pohybuje se rychleji) a má zrychlující účinek na vrstvu umístěnou dále od osy (pohybuje se pomaleji) .
Rýže. 2. Rozložení rychlosti v průřezu proudění
kapaliny v potrubí kruhového průřezu (laminární proudění).
Síla viskózního tření
Chcete-li objasnit vzorce, kterým se řídí síly vnitřního tření, zvažte následující experiment. Dvě vzájemně rovnoběžné desky jsou ponořeny do kapaliny (obr. 3), jejíž lineární rozměry výrazně přesahují vzdálenost mezi nimi d. Spodní deska je držena na místě, horní se uvede do pohybu vzhledem ke spodní určitou rychlostí v 0 .
Rýže. 3. Vrstvený pohyb viskózní tekutiny mezi deskami,
mající různé rychlosti.
Vrstva kapaliny přiléhající přímo k horní desce, v důsledku sil molekulární soudržnosti, k ní přilne a pohybuje se spolu s deskou. Kapalná vrstva ulpívající na spodní desce s ní zůstává v klidu. Mezivrstvy se pohybují tak, že každá horní má rychlost větší než ta ležící pod ní. Že. každá vrstva klouže vzhledem k sousedním vrstvám. Ze strany spodní vrstvy tedy na horní působí třecí síla, která pohyb druhé z nich zpomaluje, a naopak ze strany horní vrstvy ke spodní zrychluje. pohyb. Síly, které vznikají mezi vrstvami tekutiny, které zažívají relativní posunutí, se nazývají vnitřní tření. Vlastnosti kapaliny spojené s přítomností vnitřních třecích sil se nazývají viskozita.
Zkušenosti ukazují, že aby se horní deska pohybovala konstantní rychlostí v 0, je nutné na ni působit přesně definovanou silou F. Působení vnější síly F je vyvážena opačně směrovanou třecí silou, která se mu rovná velikosti.
Sílu vnitřního tření mezi dvěma vrstvami kapaliny lze vypočítat pomocí Newtonova vzorce:
, (1)
kde h je dynamická viskozita, koeficient vnitřního tření, s je plocha kontaktu (v tomto případě plocha desky), Dv/D z je rychlostní gradient.
Viskozitní koeficient se numericky rovná síle působící na jednotku plochy vrstvy, když na jednotku délky, bráno kolmo k vrstvě, se rychlost změní o jednu (Dv/D z= 1)
Viskozita(vnitřní tření) ( Angličtina. viskozita) - jeden z přenosových jevů, vlastnost tekutých těles (kapaliny a plyny) odolávat pohybu jedné z jejich částí vůči druhé. Mechanismus vnitřního tření v kapalinách a plynech spočívá v tom, že náhodně se pohybující molekuly přenášejí hybnost z jedné vrstvy do druhé, což vede k vyrovnání rychlostí - to je popsáno zavedením třecí síly. Viskozita pevných látek má řadu specifických vlastností a obvykle se posuzuje samostatně. Základní zákon o viskózním toku stanovil I. Newton (1687): Viskozita se při aplikaci na kapaliny rozlišuje:
- Dynamická (absolutní) viskozita µ - síla působící na jednotkovou plochu rovného povrchu, která se pohybuje jednotkovou rychlostí vzhledem k jinému rovnému povrchu umístěnému v jednotkové vzdálenosti od prvního. V soustavě SI je dynamická viskozita vyjádřena jako Pa×s(pascalová sekunda), mimosystémová jednotka P (poise).
- Kinematická viskozita ν je poměr dynamické viskozity µ na hustotu kapaliny ρ .
- ν , m2/s - kinematická viskozita;
- μ , Pa×s – dynamická viskozita;
- ρ , kg / m 3 - hustota kapaliny.
Síla viskózního tření
Jedná se o jev výskytu tangenciálních sil, které brání vzájemnému pohybu částí kapaliny nebo plynu. Mazání mezi dvěma pevnými látkami nahrazuje suché kluzné tření kluzným třením vrstev kapaliny nebo plynu proti sobě. Rychlost částic média se plynule mění z rychlosti jednoho tělesa na rychlost jiného tělesa.
Síla viskózního tření je úměrná rychlosti relativního pohybu PROTI těla, úměrně ploše S a nepřímo úměrné vzdálenosti mezi rovinami h.
F=-V S/h,Nazývá se koeficient úměrnosti v závislosti na typu kapaliny nebo plynu dynamický viskozitní koeficient. Nejdůležitější v povaze viskózních třecích sil je, že v přítomnosti jakékoli libovolně malé síly se tělesa začnou pohybovat, to znamená, že nedochází k statické tření. Kvalitativně významný rozdíl sil viskózní tření z suché tření
Pokud je pohybující se těleso zcela ponořeno do viskózního prostředí a vzdálenosti od tělesa k hranicím média jsou mnohem větší než rozměry samotného tělesa, pak v tomto případě hovoříme o tření resp. střední odolnost. V tomto případě se úseky média (kapalina nebo plyn) bezprostředně sousedící s pohybujícím se tělesem pohybují stejnou rychlostí jako těleso samotné, a jak se vzdalujete od tělesa, rychlost odpovídajících úseků média klesá, otočení k nule v nekonečnu.
Odporová síla média závisí na:
- jeho viskozita
- od tvaru těla
- na rychlosti těla vzhledem k médiu.
Například, když se koule pohybuje pomalu ve viskózní tekutině, třecí sílu lze zjistit pomocí Stokesova vzorce:
F=-6 R V,Kvalitativně významný rozdíl mezi silami viskózního tření a suché tření mj. skutečnost, že těleso za přítomnosti pouze viskózního tření a libovolně malé vnější síly se nutně začne pohybovat, to znamená, že pro viskózní tření neexistuje žádné statické tření a naopak - pod vlivem pouze viskózní tření, těleso, které se zpočátku pohybovalo, se nikdy (v makroskopické aproximaci, která zanedbává Brownův pohyb) zcela nezastaví, ačkoli se pohyb zpomalí na neurčito.
Viskozita plynů
Viskozita plynů (fenomén vnitřního tření) je projevem třecích sil mezi vrstvami plynu, které se vzájemně pohybují paralelně a různými rychlostmi. Viskozita plynů roste s rostoucí teplotou
Interakce dvou vrstev plynu je považována za proces, během kterého se hybnost přenáší z jedné vrstvy do druhé. Síla tření na jednotku plochy mezi dvěma vrstvami plynu, která se rovná hybnosti přenesené za sekundu z vrstvy na vrstvu přes jednotku plochy, je určena Newtonovým zákonem:
τ=-η dv / dz
kde:
dv / dz- gradient rychlosti ve směru kolmém na směr pohybu vrstev plynu.
Znaménko mínus znamená, že hybnost je přenášena ve směru klesající rychlosti.
η
- dynamická viskozita.
η= 1 / 3 ρ(ν) λ, kde:
ρ
je hustota plynu,
(ν)
- aritmetická střední rychlost molekul
λ
je střední volná dráha molekul.
Viskozita některých plynů (při 0°C)
Viskozita kapaliny
Viskozita kapaliny- jde o vlastnost, která se projevuje pouze tehdy, když je tekutina v pohybu, a neovlivňuje tekutiny v klidu. Viskózní tření v kapalinách se řídí zákonem tření, který se zásadně liší od zákona tření pevných látek, protože závisí na oblasti tření a rychlosti tekutiny.
Viskozita- vlastnost kapaliny odolávat relativnímu smyku jejích vrstev. Viskozita se projevuje tak, že při relativním pohybu vrstev tekutiny na plochách jejich styku vznikají smykové odporové síly, nazývané vnitřní třecí síly, neboli viskozitní síly. Uvážíme-li, jak jsou rychlosti různých vrstev kapaliny rozloženy po průřezu proudění, pak snadno uvidíme, že čím dále od stěn proudění, tím větší je rychlost částic. Na stěnách toku je rychlost tekutiny nulová. Ilustrací toho je nákres modelu tzv. tryskového proudění.
Pomalu se pohybující vrstva tekutiny "zpomaluje" přilehlou vrstvu tekutiny pohybující se rychleji a naopak vrstva pohybující se vyšší rychlostí spolu s sebou táhne (táhne) vrstvu pohybující se nižší rychlostí. Síly vnitřního tření se objevují v důsledku přítomnosti mezimolekulárních vazeb mezi pohybujícími se vrstvami. Pokud je mezi sousedními vrstvami kapaliny přidělena určitá oblast S, pak podle Newtonovy hypotézy:
F=μ S (du / dy),- μ - koeficient viskózního tření;
- S je oblast tření;
- du/dy- rychlostní spád
Hodnota μ v tomto výrazu je dynamický viskozitní koeficient, rovná:
μ= F/Si/du/dy, μ= τ 1/du/dy,- τ - smykové napětí v kapalině (závisí na druhu kapaliny).
Fyzikální význam koeficientu viskózního tření- číslo rovné třecí síle vyvíjející se na jednotkové ploše s jednotkovým gradientem rychlosti.
V praxi se používá častěji kinematický viskozitní koeficient, pojmenovaný tak, protože jeho rozměr postrádá označení síly. Tento koeficient je poměr dynamického koeficientu viskozity kapaliny k její hustotě:
ν= μ / ρ ,Jednotky měření koeficientu viskózního tření:
- Ns/m2;
- kgf s/m2
- Pz (Poiseuille) 1 (Pz) \u003d 0,1 (N s / m 2).
Analýza viskozitních vlastností kapaliny
U kapající kapaliny závisí viskozita na teplotě t a tlak R posledně jmenovaná závislost se však projevuje až při velkých změnách tlaku, řádově několik desítek MPa.
Závislost dynamického viskozitního koeficientu na teplotě vyjadřuje vzorec ve tvaru:
μ t \u003d μ 0 e -k t (T-T 0),- µt - koeficient dynamické viskozity při dané teplotě;
- μ 0 - koeficient dynamické viskozity při známé teplotě;
- T - nastavená teplota;
- T 0 - teplota, při které se hodnota měří μ 0 ;
- E
Závislost relativního koeficientu dynamické viskozity na tlaku je popsána vzorcem:
μ p \u003d μ 0 e -k p (P-P 0),- μ R - koeficient dynamické viskozity při daném tlaku,
- μ 0 - koeficient dynamické viskozity při známém tlaku (nejčastěji za normálních podmínek),
- R - nastavit tlak,;
- P 0 - tlak, při kterém se hodnota měří μ 0 ;
- E - základna přirozeného logaritmu je 2,718282.
Vliv tlaku na viskozitu kapaliny se projevuje pouze při vysokých tlacích.
Newtonské a nenewtonské tekutiny
Newtonovské kapaliny jsou kapaliny, jejichž viskozita nezávisí na rychlosti deformace. V Navierově - Stokesově rovnici pro newtonovskou tekutinu existuje zákon viskozity podobný výše uvedenému (ve skutečnosti zobecnění Newtonova zákona nebo Navierova zákona).
Rozdíl mezi viskózním třením a suchým třením je v tom, že může mizet současně s rychlostí. I při malé vnější síle lze vrstvám viskózního média udělit relativní rychlost.
Odporová síla při pohybu ve viskózním médiu
Poznámka 1Kromě třecích sil vznikají při pohybu v kapalném a plynném prostředí odporové síly média, které jsou mnohem významnější než síly třecí.
Chování kapaliny a plynu ve vztahu k projevům třecích sil se neliší. Následující charakteristiky tedy platí pro oba státy.
Definice 1
Působení odporové síly vznikající při pohybu tělesa ve viskózním prostředí je způsobeno jeho vlastnostmi:
- nedostatek statického tření, to znamená pohyb plovoucí vícetunové lodi s lanem;
- závislost odporové síly na tvaru pohybujícího se tělesa, jinými slovy, na jeho zefektivnění pro snížení odporových sil;
- závislost absolutní hodnoty odporové síly na otáčkách.
Existují určité zákonitosti, kterým podléhají třecí síly a odpor média, se symbolickým označením celkové síly jako síly tření. Jeho hodnota závisí na:
- tvar a velikost těla;
- stav jeho povrchu;
- rychlost vzhledem k médiu a jeho vlastnostem, nazývaným viskozita.
Pro znázornění závislosti třecí síly na rychlosti tělesa vzhledem k médiu použijte graf na obrázku 1.
Obrázek 1 . Graf závislosti třecí síly na rychlosti ve vztahu k médiu
Je-li hodnota rychlosti malá, je odporová síla přímo úměrná υ a třecí síla roste lineárně s rychlostí:
F t p \u003d - k 1 υ (1) .
Přítomnost mínus znamená směr třecí síly v opačném směru vzhledem ke směru rychlosti.
Při velké hodnotě rychlosti dochází k přechodu z lineárního zákona na kvadratický, to znamená, že zvýšení třecí síly je úměrné druhé mocnině rychlosti:
F t p \u003d - k 2 υ 2 (2) .
Pokud ve vzduchu klesá závislost odporové síly na druhé mocnině rychlosti, mluví se o rychlostech s hodnotami několika metrů za sekundu.
Hodnota součinitelů tření k 1 a k 2 závisí na tvaru, velikosti a stavu povrchu tělesa a viskózních vlastnostech média.
Příklad 1
Uvažujeme-li vleklý seskok výsadkáře, pak se jeho rychlost nemůže neustále zvyšovat, v určitém okamžiku začne jeho pokles, při kterém se odporová síla bude rovnat síle gravitace.
Hodnota rychlosti, kterou zákon (1) přechází na (2), závisí na stejných důvodech.
Příklad 2
Dochází k pádu dvou kovových koulí různé hmotnosti ze stejné výšky s chybějící počáteční rychlostí. Který míč padne rychleji?
Vzhledem k tomu: m1, m2, m1 > m2
Řešení
Během pádu obě těla naberou rychlost. V určitém okamžiku se pohyb dolů provádí stálou rychlostí, při které je hodnota odporové síly (2) rovna gravitační síle:
F t p \u003d k 2 υ 2 \u003d m g.
Stálou rychlost získáme podle vzorce:
υ2 = mgk2.
Proto má těžká koule větší rychlost pádu v ustáleném stavu než lehká. Proto bude dosažení zemského povrchu rychlejší.
Odpovědět: těžký míč se dostane na zem rychleji.
Příklad 3
Parašutista letí rychlostí 35 m/s, dokud se padák neotevře, a poté - rychlostí 8 m/s. Určete napětí ve šňůrách při otevření padáku. Hmotnost výsadku 65 kg, zrychlení volného pádu 10 m/s 2 . Označte úměrnost F tr vzhledem k υ.
Vzhledem k tomu: m 1 \u003d 65 kg, υ 1 \u003d 35 m / s, υ 2 \u003d 8 m / s.
Nalézt: T-?
Řešení
Obrázek 2
Před otevřením měl parašutista rychlost υ 1 = 35 m/s, to znamená, že jeho zrychlení bylo nulové.
Podle druhého Newtonova zákona dostáváme:
0 = mg-kυ1.
To je zřejmé
Po otevření padáku se jeho υ změní a stane se rovným υ 2 = 8 m/s. Odtud má druhý Newtonův zákon formu:
0-mg-kυ2-T.
Abychom našli tahovou sílu čar, je nutné převést vzorec a dosadit hodnoty:
T \u003d m g 1 - υ 2 υ 1 ≈ 500 N.
Odpovědět: T = 500 N.
Pokud si všimnete chyby v textu, zvýrazněte ji a stiskněte Ctrl+Enter
Zajímavé je, že absolutně suchá těla se v přírodě prakticky nikdy nevyskytují. Za jakýchkoli podmínek údržby zařízení se na povrchu pevné látky tvoří tenké filmy atmosférických srážek, tuků atd. Tření mezi pevným tělesem a kapalinou nebo plynem se nazývá viskózní nebo tekuté tření.
Kde vzniká viskózní tření?
K viskóznímu tření dochází, když se pevná tělesa pohybují v kapalném nebo plynném prostředí, nebo když samotná kapalina nebo plyn proudí kolem stacionárních pevných těles.
Co je příčinou viskózního tření?
Příčinou viskózního tření je vnitřní tření.
Pohybuje-li se pevné těleso ve stacionárním prostředí, pohybuje se s ním i vrstva vody nebo vzduchu, která na něm ulpí. Přitom klouže po sousední vrstvě. Existuje třecí síla, která strhává tuto vrstvu.
Dá se do pohybu a zase táhne další vrstvu atd. Čím dále od povrchu tělesa, tím pomaleji se vrstvy kapaliny nebo plynu pohybují. Síla tření mezi vrstvami zpomaluje rychlejší vrstvy a tím i samotné pevné těleso. Je brzděn přímo viskózním třením. Totéž se stane, když proud kapaliny nebo plynu protéká kolem stacionárního tělesa.
Zajímavé vlastnosti viskózního tření!
![](https://i2.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/48.jpg)
Nalijte trochu vody do misky a ponořte do ní kus dřeva. Fouknout na třísku - bude plavat na vodě. A i když slabě fouknete, tříska se stále pohne ze svého místa.Hlavní rozdíl mezi viskózním třením a suchým třením je v tom, že nedochází k viskóznímu statickému tření!
Bez ohledu na to, jak malá tažná síla působí na tělo, okamžitě způsobí pohyb těla v tekutině. Čím menší je tato síla, tím pomaleji bude tělo plavat.
Co určuje sílu tření v kapalině nebo plynu?
Třecí síla, kterou působí pohybující se těleso, například v kapalině, závisí na rychlosti pohybu, na tvaru a velikosti tělesa a na vlastnostech kapaliny.
Při nízkých rychlostech pohybu je odporová síla přímo úměrná rychlosti pohybu a lineární velikosti těla. Tělesa zažívají tím větší sílu odporu, tím silnější (viskózní) médium bude. A kapaliny mohou být ne viskózní, jako voda, nebo velmi viskózní, jako med. Voda má nižší viskozitu než lepidlo a lepidlo má nižší viskozitu než pryskyřice.
Viskozita závisí na teplotě kapaliny.
Například v zimě se musí zahřát motor auta stojícího v mrazu.
To se provádí za účelem zahřátí zmrzlého oleje nalitého do motoru.
Viskozita zmrzlého oleje je vyšší než viskozita zahřátého oleje a motor se nemůže rychle otáčet.
Viskozita plynů se naopak s klesající teplotou snižuje.
Se zvyšující se rychlostí těla se mění odpor média. Záleží na povaze proudění kolem tělesa, které se v něm pohybuje. Při vysokých rychlostech vzniká za pohybujícím se tělesem složité turbulentní proudění, vznikají bizarní obrazce, prstence a víry.
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/75.jpg)
Turbulentní odpor vůči pohybu již závisí na hustotě prostředí, druhé mocnině rychlosti tělesa a velikosti (druhé mocnině) tělesa. Turbulentní odpor se mnohonásobně sníží poté, co pohybující se těleso získá aerodynamický tvar. Nejlepší tvar těla pohybujícího se ve sloupci kapaliny nebo plynu je tupý vpředu a ostrý vzadu (například u delfínů a velryb).
Před dávnými časy...
Některé starověké kresby nalezené v pyramidách ukazují, jak Egypťané nalévají mléko pod saně, na kterých tahají kamenné bloky.
Stopy olivového oleje, který pomáhal snižovat tření, byly nalezeny v pilířích bran studní z doby bronzové (5. století př. n. l.), které se k nám dostaly.
Co je to "lubrikant"?
O mazání se tedy říká: "jde to jako hodinky."
Tam, kde musíte řešit klouzání suchých povrchů, se je snaží namočit, promazat. Náboje kol jsou potřísněny dehtem nebo tukem; do ložisek se nalije olej, nacpe se mazivo. U elektráren je dokonce speciální pozice olejničky, nalévající mazivo z olejničky do třecích částí. Na železnici jsou také mazáci. Díky mazání je tření sníženo 8–10krát.
Jaké přírodní kapaliny jsou nejlepší pro mazání?
Jedná se o rostlinné tuky, máslo, hovězí nebo sádlo, dehet. Ale s rozvojem technologie byla nalezena jiná, levnější maziva - minerální oleje získané z rafinace ropy.
Jako moderní maziva lze jmenovat strojní, letecké, motorové nafty, maziva, maziva, technická vazelína, autol, nigrol, vřetenový olej, pistolový olej.
Ukázalo se, že čím masivnější je například rotující část, tím hustší by mělo být mazivo. Těžké hřídele hydraulických turbín jsou mazány hustým tukem a pojezdové části kapesních hodinek jsou mazány tekutým a transparentním kostním olejem. Dobrý lubrikant by měl být "olejový". Poté, když se stroj zastaví, zůstane v mezeře mezi třecími částmi nejtenčí vrstva maziva a při spuštění stroje není nutné překonávat statické tření mezi zcela suchými plochami. To snižuje tření a opotřebení třecích částí. Během provozu stroje se mazivo zahřívá a částečně ztrácí své vlastnosti, proto se pro chlazení maziva používají speciální zařízení. A vznikly takové mazací směsi, které dobře fungují i ve velmi chladném počasí.
Ale nejběžnější kapalina v přírodě - voda se zřídka používá jako mazivo. Má nízkou viskozitu a navíc způsobuje korozi mnoha kovů.
![](https://i2.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/51.jpg)
Neopatrnost s ohněm je hlavní příčinou požáru všech konstrukcí.
Ale pro větrné mlýny, které již prakticky zmizely, byl jednou z hlavních příčin požáru silný vítr, protože při silném větru se jejich osa často vznítila od tření !!!
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/52.jpg)
Pokud je na plátěnou požární hadici aplikována voda pod vysokým tlakem, může prasknout. A když si vezmete plachtu silnější? Američtí hasiči provedli takový experiment. Hadice se nezlomila, ale když průtok vody dosáhl 100 litrů za sekundu, hadice se vznítila třením vody o stěny plátna!
Zajímavý!
Existuje tekutina, která zvyšuje tření. Tohle je hajzl!
Při mazání třecích ploch lubrikantem je suché tření nahrazeno viskózním třením a klesá.
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/47.jpg)
Tekutiny jsou třecí mazivo, ale při vytahování hřebíků z dřevěného výrobku, který byl dlouho v dešti nebo na vlhkém místě, je třeba vynaložit mnohem větší úsilí než při vytahování ze suchého! Faktem je, že mezery mezi částicemi dřeva nabobtnalými vlhkostí se zvětšují a hřebík je silněji stlačován dřevěnými vlákny, zatímco třecí síla se zvyšuje.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/29.jpg)
Když se po dně oceánu pohybuje přílivová vlna, třecí síly způsobí zpomalení rotace Země a prodloužení dne.
Viskózní tření vede ke ztrátě mechanické energie pohybujícího se tělesa, protože zpomaluje ho. To ale neznamená, že například letadlo bude lepší létat v médiu bez viskózního tření. Letadlo v takovém vzduchu nebude moci vůbec vzlétnout, protože. vztlak jeho křídla a tah jeho vrtule budou nulové!
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/46.jpg)
Lineární rychlost družice pohybující se v řídkých vrstvách atmosféry se díky odporu vzduchu zvyšuje! Paradox se vysvětluje tím, že se zmenšuje poloměr oběžné dráhy a část potenciální energie družice se přeměňuje na energii kinetickou.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/81.jpg)
Pro loď s výtlakem asi 35 000 tun a délkou asi 180 m je ztráta tření o vodu při zdvihu 14 uzlů přibližně 75 % celkového výkonu a zbývajících 25 % je vynaloženo na překonání odporu vln. . Je zajímavé, že tento poslední typ ztráty je výrazně snížen, když se tělo pohybuje v ponořené poloze.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/79.jpg)
Naše atmosféra v blízkosti zemského povrchu je asi 800krát méně hustá než voda, ale může také vytvořit obrovský protipól pohybu. Běžný vlak při rychlosti 200 km/h tedy vynakládá asi 70 % svého celkového výkonu na překonávání odporu vzduchu. I při dobře aerodynamickém tvaru tento údaj neklesne pod polovinu celkového výkonu.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/80.jpg)
Již první letoun jasně pocítil gigantickou sílu odporu vzduchu. A od té chvíle se snižování odporu kvůli lepšímu zefektivnění stalo jedním z hlavních problémů rozvoje letectví. Tření o vzduch totiž nejen pohlcuje energii motorů, ale vede i k nebezpečnému přehřívání letadla v hustých vrstvách atmosféry. Ale zároveň protiletadlo slouží jako jeden ze zdrojů vztlaku letadla.