Siła tarcia lepkiego. Badanie sił tarcia lepkiego Siła oporu podczas ruchu w lepkim ośrodku
Cel: badanie zjawiska tarcia lepkiego i jedna z metod wyznaczania lepkości cieczy.
Instrumenty i akcesoria: kulki o różnych średnicach, mikrometr, suwmiarka, linijka.
Elementy teorii i metody eksperymentu
Wszystkie rzeczywiste ciecze i gazy mają tarcie wewnętrzne, zwane także lepkością. Lepkość przejawia się w szczególności w tym, że ruch, który powstał w cieczy lub gazie po ustaniu przyczyn, które ją spowodowały, stopniowo zatrzymuje się. Z codziennego doświadczenia wiadomo na przykład, że aby wytworzyć i utrzymać stały przepływ płynu w rurze, konieczna jest różnica ciśnień między końcami rury. Ponieważ przy stałym przepływie płyn porusza się bez przyspieszenia, potrzeba działania sił nacisku wskazuje, że siły te są równoważone przez pewne siły, które spowalniają ruch. Te siły to siły tarcia wewnętrznego.
Można wyróżnić dwa główne tryby przepływu cieczy lub gazu:
1) laminarny;
2) burzliwy.
W reżimie przepływu laminarnego przepływ cieczy (gazu) można podzielić na cienkie warstwy, z których każda porusza się w ogólnym przepływie z własną prędkością i nie miesza się z innymi warstwami. Przepływ laminarny jest stacjonarny.
W reżimie turbulentnym przepływ staje się nieustalony - prędkość cząstek w każdym punkcie przestrzeni zmienia się losowo przez cały czas. W tym przypadku następuje intensywne mieszanie cieczy (gazu) w przepływie.
Rozważmy reżim przepływu laminarnego. Wyróżnijmy dwie warstwy w przepływie z obszarem S, położony w odległości ∆ Z od siebie i poruszają się z różnymi prędkościami. V 1 i V 2 (ryc. 1). Wtedy powstaje między nimi siła tarcia lepkiego, proporcjonalna do gradientu prędkości D V/D Z w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu:
Gdzie współczynnik μ jest z definicji nazywany lepkością lub współczynnikiem tarcia wewnętrznego, D V=V 2-V 1.
Z (1) widać, że lepkość jest mierzona w paskalach sekund (Pa·s).
Należy zauważyć, że lepkość zależy od rodzaju i stanu cieczy (gazu). W szczególności wartość lepkości może istotnie zależeć od temperatury, którą obserwuje się np. w wodzie (patrz Załącznik 2). Nieuwzględnienie tej zależności w praktyce w niektórych przypadkach może prowadzić do znacznych rozbieżności między obliczeniami teoretycznymi a danymi eksperymentalnymi.
W gazach lepkość wynika ze zderzeń cząsteczek (patrz Załącznik 1), w cieczach z oddziaływań międzycząsteczkowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek.
Wartości lepkości dla niektórych substancji ciekłych i gazowych podano w załączniku 2.
Jak już wspomniano, przepływ cieczy lub gazu może odbywać się w jednym z dwóch trybów - laminarnym lub turbulentnym. Angielski fizyk Osborne Reynolds stwierdził, że charakter przepływu określa wartość bezwymiarowej wielkości
Gdzie jest wielkość zwana lepkością kinematyczną, V jest prędkością płynu (lub ciała w płynie), D to jakiś charakterystyczny rozmiar. W przypadku przepływu płynu w rurze pod D zrozumieć charakterystyczny rozmiar przekroju tej rury (na przykład średnicę lub promień). Gdy ciało porusza się w płynie D zrozumieć charakterystyczny rozmiar tego ciała, na przykład średnicę kuli. Dla wartości Odnośnie< 1000 przepływ uważa się za laminarny, przy Odnośnie> 1000 przepływ staje się turbulentny.
Jedną z metod pomiaru lepkości substancji (lepkościometrii) jest metoda spadającej kuli lub metoda Stokesa. Stokes wykazał, że piłka porusza się z dużą prędkością V w lepkim ośrodku istnieje siła tarcia lepkiego równa , gdzie D jest średnicą kuli.
Rozważ ruch spadającej piłki. Zgodnie z drugim prawem Newtona (ryc. 2)
Gdzie F— siła tarcia lepkiego, — siła Archimedesa, — siła grawitacji, ρ ORAZ A ρ to odpowiednio gęstości cieczy i materiału kulek. Rozwiązaniem tego równania różniczkowego będzie następująca zależność prędkości piłki od czasu:
Gdzie V 0 to prędkość początkowa piłki, a
Czy prędkość ruchu ustalonego (przy T>>τ). Ilość to czas relaksu. Ta wartość pokazuje, jak szybko ustalany jest stacjonarny tryb ruchu. Zwykle uważa się, że T≈3τ ruch praktycznie nie różni się od ruchu stacjonarnego. W ten sposób mierząc prędkość VNa, można obliczyć lepkość cieczy. Należy zauważyć, że wzór Stokesa ma zastosowanie przy liczbach Reynoldsa mniejszych niż 1000, czyli w warunkach laminarnego przepływu płynu wokół kuli.
Aparatura laboratoryjna do pomiaru lepkości cieczy metodą Stokesa to szklane naczynie wypełnione badaną cieczą. Piłki są rzucane z góry, wzdłuż osi cylindra. W górnej i dolnej części naczynia widoczne są poziome znaki. Mierząc czas ruchu piłki między znakami za pomocą stopera i znając odległość między nimi, można znaleźć prędkość stałego ruchu piłki. Jeśli walec jest wąski, wówczas wzór obliczeniowy należy skorygować o wpływ ścian.
Uwzględniając te poprawki, wzór na obliczenie lepkości przyjmie postać:
Gdzie Ł - odległość między znakami, D jest średnicą wnętrza naczynia.
Porządek pracy
1. Za pomocą suwmiarki zmierz wewnętrzną średnicę naczynia, za pomocą linijki zmierz odległość między poziomymi znakami na naczyniu, a za pomocą mikrometru zmierz średnice wszystkich kulek użytych w doświadczeniu. Przyjmuje się, że przyspieszenie ziemskie wynosi 9,8 m/s2. Gęstość cieczy i gęstość substancji kulek są wskazane na zestawie laboratoryjnym.
2. Opuszczając kulki jedna po drugiej do cieczy, zmierz czas potrzebny każdej z nich na przejście między znakami. Zapisz wyniki w tabeli. W tabeli podano numer doświadczenia, średnicę kulki i czas jej przejścia, a także wynik obliczenia lepkości dla każdego doświadczenia.
WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA WEWNĘTRZNEGO
Ciecze o niskiej lepkości
Oznaczanie lepkości
Przykłady manifestacji lepkości cieczy
Płyn idealny, tj. płyn bez tarcia jest abstrakcją. Wszystkie rzeczywiste ciecze lub gazy mają w większym lub mniejszym stopniu lepkość lub tarcie wewnętrzne. Lepkość przejawia się w tym, że ruch, który powstał w cieczy lub gazie po ustaniu przyczyn, które ją spowodowały, stopniowo zatrzymuje się.
Rozważmy również następujące przykłady, w których przejawia się lepkość cieczy. Tak więc, zgodnie z prawem Bernoulliego dla płynu idealnego, ciśnienie w rurze jest stałe, jeśli jej przekrój i wysokość nie zmieniają się. Jednak, jak wiadomo, ciśnienie wzdłuż takiej rury spada równomiernie, jak pokazano na ryc. jeden.
Ryż. 1. Spadek ciśnienia w rurze z poruszającą się cieczą.
Zjawisko to tłumaczy się obecnością tarcia wewnętrznego w cieczy i towarzyszy mu przeniesienie części jego energii mechanicznej do wewnętrznej.
W laminarnym przepływie płynu przez rurę (rys. 2) prędkość warstw zmienia się w sposób ciągły od maksymalnej (wzdłuż osi rury) do zera (przy ścianach).
Z mechanicznego punktu widzenia każda z warstw spowalnia ruch sąsiedniej warstwy znajdującej się bliżej osi rury (poruszającej się szybciej), a przyspieszającej w przypadku warstwy położonej dalej od osi (poruszającej się wolniej). .
Ryż. 2. Rozkład prędkości w przekroju poprzecznym przepływu
ciecze w rurze o przekroju kołowym (przepływ laminarny).
Siła tarcia lepkiego
Aby wyjaśnić wzorce, którym podlegają siły tarcia wewnętrznego, rozważmy następujący eksperyment. Dwie równoległe do siebie płytki są zanurzone w cieczy (ryc. 3), której wymiary liniowe znacznie przekraczają odległość między nimi d. Dolna płyta jest utrzymywana w miejscu, górna jest wprawiana w ruch względem dolnej z pewną prędkością v 0 .
Ryż. 3. Warstwowy ruch lepkiej cieczy pomiędzy płytami,
mające różne prędkości.
Warstwa cieczy przylegająca bezpośrednio do górnej płytki, dzięki siłom kohezji molekularnej, przylega do niej i przesuwa się wraz z płytą. Warstwa cieczy przylegająca do dolnej płytki pozostaje z nią w spoczynku. Warstwy pośrednie poruszają się w taki sposób, że każda górna ma prędkość większą niż leżąca pod nią. To. każda warstwa przesuwa się względem sąsiednich warstw. Dlatego od strony dolnej warstwy na górną działa siła tarcia, która spowalnia ruch drugiej z nich i odwrotnie, od strony górnej warstwy do dolnej przyspiesza ruch. Nazywa się siły, które powstają między warstwami płynu, które doświadczają względnego przemieszczenia tarcie wewnętrzne. Nazywa się właściwości płynu związane z występowaniem sił tarcia wewnętrznego lepkość.
Doświadczenie pokazuje, że aby poruszyć górną płytą ze stałą prędkością v 0, należy działać na nią z dobrze określoną siłą F. Działanie siły zewnętrznej F jest równoważona przez przeciwnie skierowaną siłę tarcia równą jej wielkości.
Siłę tarcia wewnętrznego między dwiema warstwami płynu można obliczyć za pomocą wzoru Newtona:
, (1)
gdzie h to lepkość dynamiczna, współczynnik tarcia wewnętrznego, s jest obszarem kontaktu (w tym przypadku obszarem płyty), Dv/D z jest gradientem prędkości.
Współczynnik lepkości jest liczbowo równy sile działającej na jednostkę powierzchni warstwy, gdy na jednostkę długości, mierzoną prostopadle do warstwy, prędkość zmienia się o jeden (Dv/D z= 1)
Lepkość(tarcie wewnętrzne) ( język angielski. lepkość) - jedno ze zjawisk przenoszenia, właściwość ciał płynnych (cieczy i gazów) polegająca na przeciwstawianiu się ruchowi jednej z ich części względem drugiej. Mechanizm tarcia wewnętrznego w cieczach i gazach polega na tym, że losowo poruszające się cząsteczki przenoszą pęd z jednej warstwy na drugą, co prowadzi do wyrównania prędkości - opisuje się to wprowadzeniem siły tarcia. Lepkość ciał stałych ma szereg specyficznych cech i zwykle jest rozpatrywana oddzielnie. Podstawowe prawo lepkiego przepływu zostało ustalone przez I. Newtona (1687): W odniesieniu do cieczy rozróżnia się lepkość:
- Lepkość dynamiczna (bezwzględna). µ - siła działająca na jednostkową powierzchnię płaskiej powierzchni, która porusza się z jednostkową prędkością względem innej płaskiej powierzchni znajdującej się w jednostkowej odległości od pierwszej. W układzie SI lepkość dynamiczna wyrażana jest jako Pa×s(sekunda paskala), pozasystemowa jednostka P (panowanie).
- Lepkość kinematyczna ν jest stosunkiem lepkości dynamicznej µ do gęstości cieczy ρ .
- ν , m 2 /s - lepkość kinematyczna;
- μ , Pa×s – lepkość dynamiczna;
- ρ , kg / m 3 - gęstość cieczy.
Siła tarcia lepkiego
Jest to zjawisko występowania sił stycznych, które uniemożliwiają ruch części cieczy lub gazu względem siebie. Smarowanie między dwoma ciałami stałymi zastępuje suche tarcie ślizgowe tarciem ślizgowym warstw cieczy lub gazu względem siebie. Prędkość cząstek ośrodka płynnie zmienia się od prędkości jednego ciała do prędkości drugiego ciała.
Siła tarcia lepkiego jest proporcjonalna do prędkości ruchu względnego V ciała, proporcjonalne do powierzchni S i odwrotnie proporcjonalna do odległości między płaszczyznami h.
F=-V S / h ,Nazywa się współczynnik proporcjonalności, w zależności od rodzaju cieczy lub gazu dynamiczny współczynnik lepkości. Najważniejszą rzeczą w naturze lepkich sił tarcia jest to, że w obecności dowolnej dowolnie małej siły ciała zaczną się poruszać, to znaczy nie ma tarcie statyczne. Jakościowo znacząca różnica sił tarcie lepkie z suche tarcie
Jeżeli poruszające się ciało jest całkowicie zanurzone w lepkim ośrodku, a odległości od tego ciała do granic ośrodka są znacznie większe niż wymiary samego ciała, to w tym przypadku mówimy o tarciu lub średni opór. W tym przypadku sekcje ośrodka (cieczy lub gazu) bezpośrednio przylegające do poruszającego się ciała poruszają się z tą samą prędkością co samo ciało, a gdy oddalasz się od ciała, prędkość odpowiednich sekcji ośrodka maleje, do zera w nieskończoności.
Siła oporu ośrodka zależy od:
- jego lepkość
- od kształtu ciała
- od prędkości ciała względem ośrodka.
Na przykład, gdy kulka porusza się powoli w lepkim płynie, siłę tarcia można znaleźć za pomocą wzoru Stokesa:
F=-6 R V,Jakościowo znacząca różnica między siłami tarcia lepkiego i suche tarcie między innymi fakt, że ciało w obecności tylko lepkiego tarcia i dowolnie małej siły zewnętrznej z konieczności zacznie się poruszać, to znaczy dla tarcia lepkiego nie ma tarcia statycznego i odwrotnie - pod wpływem tylko tarcie lepkie, ciało, które początkowo się poruszało, nigdy (w przybliżeniu makroskopowym, które pomija ruch Browna) nie zatrzyma się całkowicie, chociaż ruch będzie zwalniał w nieskończoność.
Lepkość gazów
Lepkość gazów (zjawisko tarcia wewnętrznego) to pojawienie się sił tarcia między warstwami gazów poruszającymi się względem siebie równolegle iz różnymi prędkościami. Lepkość gazów wzrasta wraz ze wzrostem temperatury
Oddziaływanie dwóch warstw gazu jest uważane za proces, podczas którego pęd jest przenoszony z jednej warstwy na drugą. Siłę tarcia na jednostkę powierzchni między dwiema warstwami gazu, równą pędowi przenoszonemu w ciągu sekundy z warstwy na warstwę przez jednostkę powierzchni, określa prawo Newtona:
τ=-η dv / dz
gdzie:
dv / dz- gradient prędkości w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu warstw gazu.
Znak minus wskazuje, że pęd jest przenoszony w kierunku malejącej prędkości.
η
- lepkość dynamiczna.
η= 1/3 ρ(ν) λ, gdzie:
ρ
jest gęstością gazu,
(ν)
- średnia arytmetyczna prędkości cząsteczek
λ
jest średnią swobodną drogą cząsteczek.
Lepkość niektórych gazów (przy 0°C)
Lepkość płynu
Lepkość płynu- jest to właściwość, która objawia się tylko wtedy, gdy płyn jest w ruchu i nie wpływa na płyny w spoczynku. Lepkie tarcie w cieczach podlega prawu tarcia, które zasadniczo różni się od prawa tarcia ciał stałych, ponieważ zależy od obszaru tarcia i prędkości płynu.
Lepkość- właściwość cieczy polegająca na przeciwstawianiu się względnemu ścinaniu jej warstw. Lepkość przejawia się w tym, że przy względnym ruchu warstw płynu na powierzchniach ich styku powstają siły oporu ścinania, zwane siłami tarcia wewnętrznego lub siłami lepkości. Jeśli rozważymy, jak rozkładają się prędkości różnych warstw cieczy w przekroju poprzecznym strumienia, to łatwo zauważymy, że im dalej od ścian strumienia, tym większa jest prędkość cząstek. Na ścianach strumienia prędkość płynu wynosi zero. Ilustracją tego jest rysunek tzw. modelu przepływu strumieniowego.
Wolno poruszająca się warstwa płynu „spowalnia” sąsiednią warstwę płynu poruszającą się szybciej i odwrotnie, warstwa poruszająca się z większą prędkością ciągnie (ciągnie) warstwę poruszającą się z mniejszą prędkością. Siły tarcia wewnętrznego powstają na skutek obecności wiązań międzycząsteczkowych pomiędzy poruszającymi się warstwami. Jeśli określony obszar jest przydzielony między sąsiednimi warstwami cieczy S, to zgodnie z hipotezą Newtona:
F=μS (du / dy),- μ - współczynnik tarcia lepkiego;
- S jest obszarem tarcia;
- du/dy- gradient prędkości
Wartość μ w tym wyrażeniu jest dynamiczny współczynnik lepkości, równy:
μ= fa / S 1 / du / dy , μ= τ 1/du/dy,- τ - naprężenia ścinające w cieczy (zależy od rodzaju cieczy).
Fizyczne znaczenie współczynnika tarcia lepkiego- liczba równa sile tarcia rozwijającej się na powierzchni jednostkowej o jednostkowym gradiencie prędkości.
W praktyce jest częściej używany współczynnik lepkości kinematycznej, nazwany tak, ponieważ jego wymiarowi brakuje zapisu siły. Współczynnik ten jest stosunkiem dynamicznego współczynnika lepkości cieczy do jej gęstości:
ν= μ / ρ ,Jednostki miary współczynnika tarcia lepkiego:
- N·s/m2;
- kgfs / m 2
- Pz (Poiseuille) 1 (Pz) \u003d 0,1 (N s / m 2).
Analiza właściwości lepkości płynu
W przypadku kropel cieczy lepkość zależy od temperatury t i ciśnienie R jednak ta ostatnia zależność przejawia się dopiero przy dużych zmianach ciśnienia, rzędu kilkudziesięciu MPa.
Zależność dynamicznego współczynnika lepkości od temperatury wyraża się wzorem:
μ t \u003d μ 0 e -k t (T-T 0),- µt - współczynnik lepkości dynamicznej w danej temperaturze;
- μ 0 - współczynnik lepkości dynamicznej w znanej temperaturze;
- T - Ustaw temperaturę;
- T 0 - temperatura, w której mierzona jest wartość μ 0 ;
- mi
Zależność względnego współczynnika lepkości dynamicznej od ciśnienia opisuje wzór:
μ p \u003d μ 0 e -k p (P-P 0),- μ R - współczynnik lepkości dynamicznej przy zadanym ciśnieniu,
- μ 0 - współczynnik lepkości dynamicznej przy znanym ciśnieniu (najczęściej w warunkach normalnych),
- R - ustawić nacisk,;
- P 0 - ciśnienie, przy którym mierzona jest wartość μ 0 ;
- mi - podstawa logarytmu naturalnego to 2,718282.
Wpływ ciśnienia na lepkość cieczy pojawia się dopiero przy wysokich ciśnieniach.
Płyny newtonowskie i nienewtonowskie
Ciecze newtonowskie to ciecze, których lepkość nie zależy od szybkości odkształcania. W równaniu Naviera - Stokesa dla płynu Newtona istnieje prawo lepkości podobne do powyższego (w rzeczywistości jest to uogólnienie prawa Newtona lub prawa Naviera).
Różnica między tarciem lepkim a tarciem suchym polega na tym, że może ono zanikać jednocześnie z prędkością. Nawet przy niewielkiej sile zewnętrznej warstwom lepkiego ośrodka można nadać prędkość względną.
Siła oporu podczas ruchu w lepkim ośrodku
Uwaga 1Oprócz sił tarcia podczas poruszania się w ośrodkach ciekłych i gazowych powstają siły oporu ośrodka, które są znacznie bardziej znaczące niż siły tarcia.
Zachowanie cieczy i gazu w odniesieniu do przejawów sił tarcia nie różni się. W związku z tym następujące cechy mają zastosowanie do obu stanów.
Definicja 1
Działanie siły oporu powstającej, gdy ciało porusza się w lepkim ośrodku, wynika z jego właściwości:
- brak tarcia statycznego, czyli ruch pływającego wielotonowego statku z liną;
- zależność siły oporu od kształtu poruszającego się ciała, innymi słowy od jego opływania w celu zmniejszenia sił oporu;
- zależność wartości bezwzględnej siły oporu od prędkości.
Istnieją pewne prawidłowości, którym podlegają siły tarcia i opory ośrodka, z symbolicznym oznaczeniem siły całkowitej jako siły tarcia. Jego wartość zależy od:
- kształt i rozmiar ciała;
- stan jego powierzchni;
- prędkość względem ośrodka i jego właściwości, zwana lepkością.
Aby zobrazować zależność siły tarcia od prędkości ciała względem ośrodka, skorzystaj z wykresu z rysunku 1.
Obrazek 1 . Wykres zależności siły tarcia od prędkości względem ośrodka
Jeżeli wartość prędkości jest mała, to siła oporu jest wprost proporcjonalna do υ, a siła tarcia rośnie liniowo wraz z prędkością:
F t p \u003d - k 1 υ (1) .
Obecność minusa oznacza kierunek siły tarcia w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości.
Przy dużej wartości prędkości następuje przejście od prawa liniowego do kwadratowego, to znaczy wzrost siły tarcia jest proporcjonalny do kwadratu prędkości:
F t p \u003d - k 2 υ 2 (2) .
Jeśli w powietrzu zależność siły oporu od kwadratu prędkości maleje, mówi się o prędkościach o wartościach kilku metrów na sekundę.
Wartość współczynników tarcia k 1 i k 2 zależy od kształtu, wielkości i stanu powierzchni ciała oraz właściwości lepkich ośrodka.
Przykład 1
Jeśli weźmiemy pod uwagę przedłużający się skok spadochroniarza, to jego prędkość nie może stale rosnąć, w pewnym momencie rozpocznie się jego spadek, w którym siła oporu będzie równa sile grawitacji.
Wartość prędkości, z jaką prawo (1) dokonuje przejścia do (2), zależy od tych samych powodów.
Przykład 2
Następuje upadek dwóch metalowych kul o różnych masach z tej samej wysokości z brakującą prędkością początkową. Która piłka spadnie szybciej?
Dany: m 1 , m 2 , m 1 > m 2
Rozwiązanie
Podczas upadku oba ciała nabierają prędkości. W pewnym momencie ruch w dół odbywa się ze stałą prędkością, przy której wartość siły oporu (2) jest równa sile grawitacji:
F t p \u003d k 2 υ 2 \u003d m g.
Stałą prędkość otrzymujemy ze wzoru:
υ 2 = m sol k 2 .
Dlatego ciężka kula ma większą prędkość opadania w stanie ustalonym niż lekka. Dlatego dotarcie do powierzchni ziemi nastąpi szybciej.
Odpowiadać: ciężka piłka szybciej spadnie na ziemię.
Przykład 3
Spadochroniarz leci z prędkością 35 m/s do momentu otwarcia spadochronu, a następnie z prędkością 8 m/s. Określ naprężenie linek przy otwieraniu spadochronu. Masa spadochroniarza 65 kg, przyspieszenie swobodnego spadania 10 m/s 2 . Wyznacz proporcjonalność F tr względem υ.
Dany: m 1 \u003d 65 kg, υ 1 \u003d 35 m / s, υ 2 \u003d 8 m / s.
Odnaleźć: T-?
Rozwiązanie
Obrazek 2
Przed otwarciem spadochroniarz miał prędkość υ 1 = 35 m / s, to znaczy jego przyspieszenie wynosiło zero.
Zgodnie z drugim prawem Newtona otrzymujemy:
0 = m sol - k υ 1 .
To oczywiste
Po otwarciu spadochronu jego υ zmienia się i wynosi υ 2 = 8 m/s. Stąd drugie prawo Newtona przyjmuje postać:
0 - m sol - k υ 2 - T .
Aby znaleźć siłę naciągu linii, należy przekonwertować wzór i podstawić wartości:
T \u003d m g 1 - υ 2 υ 1 ≈ 500 N.
Odpowiadać: T = 500 N.
Jeśli zauważysz błąd w tekście, zaznacz go i naciśnij Ctrl+Enter
Co ciekawe, absolutnie suche ciała praktycznie nigdy nie występują w naturze. W każdych warunkach konserwacji sprzętu na powierzchni substancji stałej tworzą się cienkie warstwy opadów atmosferycznych, tłuszczów itp. Tarcie między ciałem stałym a cieczą lub gazem nazywa się tarciem lepkim lub płynnym.
Gdzie występuje tarcie lepkie?
Tarcie lepkie występuje, gdy ciała stałe poruszają się w ośrodku ciekłym lub gazowym lub gdy sama ciecz lub gaz przepływa obok nieruchomych ciał stałych.
Jaka jest przyczyna tarcia lepkiego?
Przyczyną tarcia lepkiego jest tarcie wewnętrzne.
Jeśli ciało stałe porusza się w nieruchomym ośrodku, przylegająca do niego warstwa wody lub powietrza porusza się wraz z nim. Jednocześnie ślizga się po sąsiedniej warstwie. Istnieje siła tarcia, która porywa tę warstwę.
Wprawia w ruch iz kolei ciągnie kolejną warstwę, itd. Im dalej od powierzchni ciała, tym wolniej poruszają się warstwy cieczy lub gazu. Siła tarcia między warstwami spowalnia szybsze warstwy, a tym samym samo ciało stałe. Jest hamowany bezpośrednio przez tarcie lepkie. To samo dzieje się, gdy strumień cieczy lub gazu przepływa obok nieruchomego ciała.
Ciekawe cechy tarcia lepkiego!
Wlej trochę wody do miski i zanurz w niej kawałek drewna. Dmuchnij na chip - będzie unosił się na wodzie. I nawet jeśli dmuchniesz słabo, chip nadal będzie się przesuwał z miejsca.Główna różnica między tarciem lepkim a tarciem suchym polega na tym, że nie ma lepkiego tarcia statycznego!
Bez względu na to, jak mała siła pociągowa działa na ciało, natychmiast powoduje ona ruch ciała w płynie. Im mniejsza ta siła, tym wolniej ciało będzie pływać.
Co decyduje o sile tarcia w cieczy lub gazie?
Siła tarcia doświadczana przez poruszające się ciało, na przykład w cieczy, zależy od prędkości ruchu, kształtu i wielkości ciała oraz właściwości cieczy.
Przy małych prędkościach ruchu siła oporu jest wprost proporcjonalna do prędkości ruchu i wymiarów liniowych ciała. Ciała doświadczają większej siły oporu, tym gęstsze (lepkie) będzie medium. A płyny mogą nie być lepkie, jak woda, lub bardzo lepkie, jak miód. Woda ma niższą lepkość niż klej, a klej ma niższą lepkość niż żywica.
Lepkość zależy od temperatury cieczy.
Na przykład zimą silnik stojącego na mrozie samochodu musi się rozgrzać.
Odbywa się to w celu ogrzania zamrożonego oleju wlewanego do silnika.
Lepkość zamrożonego oleju jest większa niż podgrzanego, a silnik nie może się szybko obracać.
I odwrotnie, lepkość gazów maleje wraz ze spadkiem temperatury.
Wraz ze wzrostem prędkości ciała zmienia się opór ośrodka. Zależy to od charakteru przepływu wokół poruszającego się w nim ciała. Przy dużych prędkościach za poruszającym się ciałem powstaje złożony turbulentny przepływ, tworzą się dziwaczne figury, pierścienie i wiry.
Turbulentny opór ruchu zależy już od gęstości ośrodka, kwadratu prędkości ciała i wielkości (kwadrat) ciała. Opór turbulentny zmniejsza się wielokrotnie po nadaniu poruszającemu się ciału opływowego kształtu. Najlepszy kształt ciała poruszającego się w kolumnie cieczy lub gazu jest tępy z przodu i ostry z tyłu (na przykład u delfinów i wielorybów).
Dawno temu...
Niektóre starożytne rysunki znalezione w piramidach przedstawiają Egipcjan wlewających mleko pod płozy sań, na których ciągną kamienne bloki.
Ślady oliwy z oliwek, która pomogła zmniejszyć tarcie, znaleziono w filarach wrót studni z epoki brązu (V wiek p.n.e.), które przetrwały do naszych czasów.
Co to jest „lubrykant”?
Mówią więc o smarowaniu: „idzie jak w zegarku”.
Tam, gdzie masz do czynienia ze ślizganiem się po suchych nawierzchniach, starają się je zwilżyć, nasmarować. Piasty kół są posmarowane smołą lub smarem; olej wlewa się do łożysk, smar jest nadziewany. W elektrowniach jest nawet specjalne stanowisko olejarki, wlewającej smar z olejarki do części trących. Na kolei są też nafciarze. Dzięki smarowaniu tarcie zmniejsza się 8–10 razy.
Jakie płyny naturalne najlepiej nadają się do smarowania?
Są to tłuszcze roślinne, masło, wołowina lub smalec, smoła. Ale wraz z rozwojem technologii znaleziono inne, tańsze smary - oleje mineralne otrzymywane z rafinacji ropy naftowej.
Jako nowoczesne smary można wymienić oleje maszynowe, lotnicze, diesla, smary, smary, wazelinę techniczną, autol, nigrol, olej wrzecionowy, olej do broni.
Okazało się, że im bardziej masywna jest np. obracająca się część, tym gęstszy powinien być smar. Ciężkie wały turbin hydraulicznych są smarowane gęstym smarem, a części biegowe zegarków kieszonkowych są smarowane płynnym i przezroczystym olejem kostnym. Dobry smar powinien być „tłusty”. Wtedy, gdy maszyna się zatrzyma, najcieńsza warstwa smaru pozostaje w szczelinie między trącymi się częściami, a po uruchomieniu maszyny nie jest konieczne pokonywanie tarcia statycznego między całkowicie suchymi powierzchniami. Zmniejsza to tarcie i zużycie części trących. Podczas pracy maszyny smar nagrzewa się i częściowo traci swoje właściwości, dlatego do chłodzenia smaru stosuje się specjalne urządzenia. I takie mieszanki smarów zostały stworzone, które sprawdzają się nawet w bardzo mroźne dni.
Ale najbardziej powszechna ciecz w przyrodzie - woda jest rzadko używana jako środek smarny. Ma niską lepkość, a ponadto powoduje korozję wielu metali.
Nieostrożność z ogniem jest główną przyczyną pożaru we wszystkich konstrukcjach.
Ale w przypadku wiatraków, które teraz praktycznie zniknęły, jedną z głównych przyczyn pożaru był silny wiatr, ponieważ przy silnym wietrze ich oś często zapalała się od tarcia !!!
W przypadku zastosowania wody pod wysokim ciśnieniem do płóciennego węża strażackiego może on pęknąć. A jeśli weźmiesz plandekę mocniejszą? Taki eksperyment przeprowadzili amerykańscy strażacy. Wąż nie pękł, ale gdy prędkość przepływu wody osiągnęła 100 litrów na sekundę, wąż zapalił się od tarcia wody o brezentowe ściany!
Ciekawe!
Istnieje płyn, który zwiększa tarcie. To jest bandyta!
Podczas smarowania powierzchni trących środkiem smarnym tarcie suche jest zastępowane tarciem lepkim i maleje.
Płyny są smarem ciernym, ale przy wyciąganiu gwoździ z drewnianego produktu, który stał przez długi czas na deszczu lub w wilgotnym miejscu, trzeba włożyć znacznie więcej siły niż przy wyciąganiu z suchego! Faktem jest, że szczeliny między cząstkami drewna pęczniejącymi od wilgoci zwiększają się, a gwóźdź jest silniej ściskany przez włókna drzewne, podczas gdy siła tarcia wzrasta.
Kiedy fala pływowa porusza się po dnie oceanu, siły tarcia powodują spowolnienie obrotu Ziemi i wydłużenie dnia.
Tarcie lepkie prowadzi do utraty energii mechanicznej poruszającego się ciała, ponieważ spowalnia go. Ale to nie znaczy, że np. samolot będzie lepiej latał w ośrodku pozbawionym lepkiego tarcia. Samolot w takim powietrzu w ogóle nie będzie mógł wystartować, bo. siła nośna jego skrzydła i ciąg jego śmigła wyniosą zero!
Prędkość liniowa satelity poruszającego się w rozrzedzonych warstwach atmosfery wzrasta z powodu oporu powietrza! Paradoks tłumaczy się tym, że promień orbity maleje, a część energii potencjalnej satelity jest zamieniana na energię kinetyczną.
Dla statku o wyporności około 35 000 ton i długości około 180 m utrata tarcia o wodę przy skoku 14 węzłów wynosi około 75% całkowitej mocy, a pozostałe 25% przeznacza się na pokonanie oporu fal . Co ciekawe, ten ostatni rodzaj utraty jest znacznie zmniejszony, gdy ciało porusza się w pozycji zanurzonej.
Nasza atmosfera w pobliżu powierzchni ziemi jest około 800 razy mniej gęsta niż woda, ale może też stanowić ogromny przeciwnik dla ruchu. Tak więc zwykły pociąg jadący z prędkością 200 km/h zużywa około 70% swojej całkowitej mocy na pokonanie oporu powietrza. Nawet przy dobrze opływowym kształcie liczba ta nie spada poniżej połowy całkowitej mocy.
Już pierwszy samolot wyraźnie odczuł gigantyczną siłę oporu powietrza. I od tego momentu zmniejszenie oporu dzięki lepszemu opływowi stało się jednym z głównych problemów w rozwoju lotnictwa. W końcu tarcie o powietrze nie tylko pochłania energię silników, ale także prowadzi do niebezpiecznego przegrzania samolotu w gęstych warstwach atmosfery. Ale jednocześnie nadchodzący przepływ służy jako jedno ze źródeł siły nośnej samolotu.