Forța de frecare vâscoasă. Studiul forțelor de frecare vâscoase Forța de rezistență la deplasarea într-un mediu vâscos
![Forța de frecare vâscoasă. Studiul forțelor de frecare vâscoase Forța de rezistență la deplasarea într-un mediu vâscos](https://i1.wp.com/helpiks.org/helpiksorg/baza6/271240066104.files/image004.gif)
Obiectiv: studiul fenomenului de frecare vâscoasă și una dintre metodele de determinare a vâscozității lichidelor.
Instrumente si accesorii: bile de diferite diametre, micrometru, șubler, riglă.
Elemente de teorie și metodă de experiment
Toate lichidele și gazele reale au frecare internă, numită și vâscozitate. Vâscozitatea se manifestă, în special, prin faptul că mișcarea care a apărut într-un lichid sau gaz după încetarea cauzelor care au provocat-o, încetează treptat. Din experiența de zi cu zi, de exemplu, se știe că pentru a crea și menține un flux constant de fluid într-o țeavă, este necesar să existe o diferență de presiune între capetele țevii. Întrucât, într-un flux constant, fluidul se mișcă fără accelerare, necesitatea acțiunii forțelor de presiune indică faptul că aceste forțe sunt echilibrate de unele forțe care încetinesc mișcarea. Aceste forțe sunt forțe interne de frecare.
Se pot distinge două moduri principale de flux de lichid sau gaz:
1) laminar;
2) turbulente.
Într-un regim de curgere laminar, un flux de lichid (gaz) poate fi împărțit în straturi subțiri, fiecare dintre ele se mișcă în fluxul general cu viteza proprie și nu se amestecă cu alte straturi. Fluxul laminar este staționar.
Într-un regim turbulent, fluxul devine instabil - viteza particulelor în fiecare punct din spațiu se schimbă aleatoriu tot timpul. În acest caz, în flux are loc amestecarea intensivă a lichidului (gazului).
Să luăm în considerare regimul curgerii laminare. Să evidențiem două straturi în fluxul cu zonă S, situat la o distanta ∆ Z separați și deplasându-se cu viteze diferite. V 1 și V 2 (Fig. 1). Apoi, între ele apare o forță de frecare vâscoasă, proporțională cu gradientul de viteză D V/D Zîntr-o direcție perpendiculară pe direcția curgerii:
Acolo unde coeficientul μ este, prin definiție, numit vâscozitate sau coeficient de frecare internă, D V=V 2-V 1.
Din (1) se poate observa că vâscozitatea se măsoară în pascal secunde (Pa s).
Trebuie remarcat faptul că vâscozitatea depinde de natura și starea lichidului (gazului). În special, valoarea vâscozității poate depinde în mod semnificativ de temperatură, care se observă, de exemplu, în apă (vezi Anexa 2). Eșecul de a lua în considerare această dependență în practică în unele cazuri poate duce la discrepanțe semnificative între calculele teoretice și datele experimentale.
În gaze, vâscozitatea se datorează ciocnirii moleculelor (vezi Anexa 1), în lichide, se datorează interacțiunilor intermoleculare care limitează mobilitatea moleculelor.
Valorile vâscozității pentru unele substanțe lichide și gazoase sunt date în anexa 2.
După cum s-a menționat deja, fluxul unui lichid sau gaz poate avea loc în unul dintre cele două moduri - laminar sau turbulent. Fizicianul englez Osborne Reynolds a descoperit că natura curgerii este determinată de valoarea mărimii adimensionale.
Unde este o mărime numită vâscozitate cinematică, V este viteza fluidului (sau a corpului în fluid), D este o dimensiune caracteristică. În cazul curgerii fluidului într-o conductă sub Dînțelegeți dimensiunea caracteristică a secțiunii transversale a acestei conducte (de exemplu, diametrul sau raza). Când un corp se mișcă într-un fluid Dînțelegeți dimensiunea caracteristică a acestui corp, de exemplu, diametrul unei mingi. Pentru valori Re< 1000 debitul este considerat laminar, la Re> 1000 fluxul devine turbulent.
Una dintre metodele de măsurare a vâscozității substanțelor (vâscometrie) este metoda bilei care căde, sau metoda Stokes. Stokes a arătat că o minge se mișcă cu o viteză Vîntr-un mediu vâscos, există o forță de frecare vâscoasă egală cu , Unde D este diametrul mingii.
Luați în considerare mișcarea mingii în timp ce aceasta cade. Conform celei de-a doua legi a lui Newton (Fig. 2)
Unde F— forța de frecare vâscoasă, — forța lui Arhimede, — forța gravitației, ρ ȘIȘi ρ sunt densitățile lichidului și respectiv materialul bilelor. Soluția acestei ecuații diferențiale va fi următoarea dependență a vitezei mingii în timp:
Unde V 0 este viteza inițială a mingii și
Este viteza mișcării constante (la T>>τ). Cantitatea este timpul de relaxare. Această valoare arată cât de repede este stabilit modul staționar de mișcare. De obicei se consideră că T≈3τ mișcarea practic nu diferă de cea staționară. Astfel, prin măsurarea vitezei VLa, se poate calcula vâscozitatea lichidului. Rețineți că formula Stokes este aplicabilă la numerele Reynolds mai mici de 1000, adică în regimul laminar al curgerii fluidului în jurul mingii.
Un aparat de laborator pentru măsurarea vâscozității lichidelor folosind metoda Stokes este un vas de sticlă umplut cu lichidul studiat. Bilele sunt aruncate de sus, de-a lungul axei cilindrului. Există semne orizontale în părțile superioare și inferioare ale vasului. Măsurând timpul de mișcare a mingii între repere cu un cronometru și cunoscând distanța dintre ele, se găsește viteza de deplasare constantă a mingii. Dacă cilindrul este îngust, atunci formula de calcul trebuie corectată pentru influența pereților.
Luând în considerare aceste corecții, formula de calcul a vâscozității va lua forma:
Unde L - distanta dintre repere, D este diametrul interiorului vasului.
Comandă de lucru
1. Folosiți un șubler pentru a măsura diametrul interior al vasului, utilizați o riglă pentru a măsura distanța dintre semnele orizontale de pe vas și utilizați un micrometru pentru a măsura diametrele tuturor bilelor folosite în experiment. Se presupune că accelerația datorată gravitației este de 9,8 m/s2. Densitatea lichidului și densitatea substanței bilelor sunt indicate pe configurația de laborator.
2. Coborând bilele una câte una în lichid, măsurați timpul necesar pentru ca fiecare dintre ele să parcurgă între semne. Înregistrați rezultatele într-un tabel. Tabelul arată numărul experimentului, diametrul mingii și timpul trecerii acesteia, precum și rezultatul calculării vâscozității pentru fiecare experiment.
DETERMINAREA COEFICIENTULUI INTERN DE FRICȚIE
Lichide cu vâscozitate scăzută
Determinarea vâscozității
Exemple de manifestare a vâscozității unui lichid
Un fluid ideal, de ex. fluid fără frecare, este o abstractizare. Toate lichidele sau gazele reale au vâscozitate, sau frecare internă, într-o măsură mai mare sau mai mică. Vâscozitatea se manifestă prin faptul că mișcarea care a apărut într-un lichid sau gaz după încetarea cauzelor care au provocat-o se oprește treptat.
Să luăm în considerare și următoarele exemple, în care se manifestă vâscozitatea unui lichid. Deci, conform legii lui Bernoulli pentru un fluid ideal, presiunea într-o țeavă este constantă dacă secțiunea transversală și înălțimea acesteia nu se modifică. Cu toate acestea, după cum se știe, presiunea de-a lungul unei astfel de conducte scade uniform, așa cum se arată în Fig. unu.
Orez. 1. Căderea de presiune într-o țeavă cu un lichid în mișcare.
Acest fenomen se explică prin prezența frecării interne în lichid și este însoțit de transferul unei părți din energia sa mecanică în interior.
În fluxul laminar de fluid prin conductă (Fig. 2), viteza straturilor se modifică continuu de la maxim (de-a lungul axei conductei) la zero (în apropierea pereților).
Din punct de vedere mecanic, oricare dintre straturi încetinește mișcarea stratului adiacent situat mai aproape de axa conductei (deplasându-se mai repede), și are un efect de accelerare asupra stratului situat mai departe de axă (deplasându-se mai încet) .
Orez. 2. Distribuția vitezei în secțiunea transversală a fluxului
lichide într-o conductă cu secțiune transversală circulară (curgere laminară).
Forța de frecare vâscoasă
Pentru a clarifica modelele pe care le respectă forțele de frecare internă, luați în considerare următorul experiment. Două plăci paralele între ele sunt scufundate într-un lichid (Fig. 3), ale căror dimensiuni liniare depășesc semnificativ distanța dintre ele d. Placa de jos este ținută pe loc, cea de sus este pusă în mișcare față de cea de jos cu o anumită viteză v 0 .
Orez. 3. Mișcarea stratificată a unui fluid vâscos între plăci,
având viteze diferite.
Stratul de lichid adiacent direct plăcii superioare, datorită forțelor de coeziune moleculară, se lipește de acesta și se mișcă împreună cu placa. Stratul de lichid care aderă la placa inferioară rămâne în repaus cu acesta. Straturile intermediare se deplasează în așa fel încât fiecare dintre cele superioare să aibă o viteză mai mare decât cea aflată sub el. Acea. fiecare strat alunecă în raport cu straturile adiacente. Prin urmare, din partea stratului inferior, cel superior este acționat de o forță de frecare, care încetinește mișcarea celui de-al doilea dintre ele și, invers, din partea stratului superior spre cel inferior, accelerează. miscarea. Forțele care apar între straturile de fluid care suferă deplasări relative se numesc frecare internă. Proprietățile unui fluid asociate cu prezența forțelor interne de frecare se numesc viscozitate.
Experiența arată că, pentru a deplasa placa superioară cu o viteză constantă v 0, este necesar să se acționeze asupra ei cu o forță bine definită. F. Acțiunea unei forțe externe F este echilibrat de o forță de frecare direcționată opus, egală cu ea ca mărime.
Forța de frecare internă între două straturi de fluid poate fi calculată folosind formula lui Newton:
, (1)
unde h este vâscozitatea dinamică, coeficientul de frecare internă, s este zona de contact (în acest caz, zona plăcii), Dv/D z este gradientul de viteză.
Coeficientul de vâscozitate este numeric egal cu forța care acționează pe unitatea de suprafață a stratului, atunci când pe unitatea de lungime, luată perpendicular pe strat, viteza se modifică cu unu (Dv/D z= 1)
Viscozitate(frecare internă) ( Engleză. vâscozitatea) - unul dintre fenomenele de transfer, proprietatea corpurilor fluide (lichide și gaze) de a rezista mișcării uneia dintre părțile lor față de alta. Mecanismul frecării interne în lichide și gaze este că moleculele care se mișcă aleatoriu transferă impuls de la un strat la altul, ceea ce duce la egalizarea vitezelor - acest lucru este descris prin introducerea unei forțe de frecare. Vâscozitatea solidelor are o serie de caracteristici specifice și este de obicei considerată separat. Legea de bază a curgerii vâscoase a fost stabilită de I. Newton (1687): După cum se aplică lichidelor, vâscozitatea se distinge:
- Vâscozitate dinamică (absolută). µ - forța care acționează asupra unei unități de suprafață a unei suprafețe plane, care se mișcă cu o viteză unitară față de o altă suprafață plană situată la o unitate de distanță de prima. În sistemul SI, vâscozitatea dinamică este exprimată ca Pa×s(pascal secundă), unitate P din afara sistemului (poise).
- Vâscozitatea cinematică ν este raportul vâscozității dinamice µ la densitatea lichidului ρ .
- ν , m2/s - vâscozitate cinematică;
- μ , Pa×s – vâscozitate dinamică;
- ρ , kg / m 3 - densitatea lichidului.
Forța de frecare vâscoasă
Acesta este fenomenul de apariție a forțelor tangențiale care împiedică mișcarea părților unui lichid sau gaz unul în raport cu celălalt. Ungerea între două solide înlocuiește frecarea uscată de alunecare cu frecarea de alunecare a straturilor de lichid sau gaze unul împotriva celuilalt. Viteza particulelor mediului se schimbă ușor de la viteza unui corp la viteza altui corp.
Forța de frecare vâscoasă este proporțională cu viteza mișcării relative V corpuri, proporțional cu suprafața Sși invers proporțională cu distanța dintre avioane h.
F=-V S/h,Se numește coeficientul de proporționalitate, în funcție de tipul de lichid sau gaz coeficient de vâscozitate dinamică. Cel mai important lucru în natura forțelor de frecare vâscoase este că, în prezența oricărei forțe arbitrar mici, corpurile vor începe să se miște, adică nu există frecare statică. Diferență semnificativă calitativ de forțe frecare vâscoasă din frecare uscată
Dacă un corp în mișcare este complet scufundat într-un mediu vâscos și distanțele de la corp până la limitele mediului sunt mult mai mari decât dimensiunile corpului însuși, atunci în acest caz vorbim de frecare sau rezistenta medie. În acest caz, secțiunile mediului (lichid sau gaz) imediat adiacente corpului în mișcare se mișcă cu aceeași viteză ca și corpul însuși și, pe măsură ce vă îndepărtați de corp, viteza secțiunilor corespunzătoare ale mediului scade, întorcându-se la zero la infinit.
Forța de rezistență a mediului depinde de:
- vâscozitatea acestuia
- din forma corpului
- asupra vitezei corpului față de mediu.
De exemplu, atunci când o minge se mișcă lent într-un fluid vâscos, forța de frecare poate fi găsită folosind formula Stokes:
F=-6 R V,O diferență semnificativă calitativ între forțele de frecare vâscoasă și frecare uscată, printre altele, faptul că corpul în prezența doar a frecării vâscoase și a unei forțe exterioare arbitrar mică va începe în mod necesar să se miște, adică pentru frecarea vâscoasă nu există frecare statică și invers - sub influența doar a frecarea vâscoasă, corpul, care sa mișcat inițial, niciodată (în aproximarea macroscopică care neglijează mișcarea browniană) nu se va opri complet, deși mișcarea va încetini la infinit.
Vâscozitatea gazelor
Vâscozitatea gazelor (fenomenul frecării interne) este apariția forțelor de frecare între straturile de gaz care se deplasează unul față de celălalt în paralel și cu viteze diferite. Vâscozitatea gazelor crește odată cu creșterea temperaturii
Interacțiunea a două straturi de gaz este considerată ca un proces în care impulsul este transferat de la un strat la altul. Forța de frecare pe unitate de suprafață între două straturi de gaz, egală cu impulsul transferat pe secundă de la strat la strat prin unitatea de suprafață, este determinată de legea lui Newton:
τ=-η dv / dz
Unde:
dv / dz- gradient de viteză pe direcția perpendiculară pe direcția de mișcare a straturilor de gaze.
Semnul minus indică faptul că impulsul este transportat în direcția de scădere a vitezei.
η
- vascozitate dinamica.
η= 1 / 3 ρ(ν) λ, unde:
ρ
este densitatea gazului,
(ν)
- viteza medie aritmetică a moleculelor
λ
este calea liberă medie a moleculelor.
Vâscozitatea unor gaze (la 0°C)
Vâscozitatea fluidului
Vâscozitatea fluidului- aceasta este o proprietate care se manifestă numai atunci când fluidul este în mișcare și nu afectează fluidele în repaus. Frecarea vâscoasă în lichide respectă legea frecării, care este fundamental diferită de legea frecării solidelor, deoarece depinde de aria de frecare și de viteza fluidului.
Viscozitate- proprietatea unui lichid de a rezista la forfecarea relativă a straturilor sale. Vâscozitatea se manifestă prin faptul că odată cu mișcarea relativă a straturilor de fluid pe suprafețele de contact ale acestora apar forțe de rezistență la forfecare, numite forțe de frecare internă sau forțe de vâscozitate. Dacă luăm în considerare modul în care vitezele diferitelor straturi ale lichidului sunt distribuite pe secțiunea transversală a fluxului, atunci putem observa cu ușurință că, cu cât mai departe de pereții fluxului, cu atât viteza particulelor este mai mare. La pereții fluxului, viteza fluidului este zero. O ilustrare a acestui lucru este desenul așa-numitului model de flux cu jet.
Un strat de fluid care se mișcă lent „încetinește” stratul de fluid adiacent mișcându-se mai repede și invers, un strat care se mișcă cu o viteză mai mare trage (trage) un strat care se mișcă cu o viteză mai mică împreună cu el. Forțele de frecare internă apar datorită prezenței legăturilor intermoleculare între straturile în mișcare. Dacă o anumită zonă este alocată între straturile adiacente ale lichidului S, apoi conform ipotezei lui Newton:
F=μ S (du / dy),- μ - coeficient de frecare vâscoasă;
- S este zona de frecare;
- du/dy- gradient de viteza
Valoare μ în această expresie este coeficient de vâscozitate dinamică, egal cu:
μ= F / S 1 / du / dy , μ= τ 1/du/dy,- τ - efort de forfecare in lichid (depinde de tipul de lichid).
Semnificația fizică a coeficientului de frecare vâscoasă- un număr egal cu forța de frecare care se dezvoltă pe o suprafață unitară cu un gradient de viteză unitar.
În practică, este mai des folosit coeficientul de vâscozitate cinematică, numită așa pentru că dimensiunea sa nu are o notație de forță. Acest coeficient este raportul dintre coeficientul dinamic de vâscozitate al lichidului și densitatea acestuia:
ν= μ / ρ ,Unități de măsură ale coeficientului de frecare vâscoasă:
- N·s/m2;
- kgf s/m2
- Pz (Poiseuille) 1 (Pz) \u003d 0,1 (N s / m 2).
Analiza proprietății de vâscozitate a unui fluid
Pentru picurarea lichidelor, vâscozitatea depinde de temperatură t si presiune R, însă, această din urmă dependență se manifestă numai la schimbări mari de presiune, de ordinul câtorva zeci de MPa.
Dependența coeficientului de vâscozitate dinamică de temperatură este exprimată printr-o formulă de forma:
μ t \u003d μ 0 e -k t (T-T 0),- µt - coeficient de vâscozitate dinamică la o temperatură dată;
- μ 0 - coeficient de vâscozitate dinamică la o temperatură cunoscută;
- T - temperatura setata;
- T 0 - temperatura la care se măsoară valoarea μ 0 ;
- e
Dependența coeficientului relativ al vâscozității dinamice de presiune este descrisă prin formula:
μ p \u003d μ 0 e -k p (P-P 0),- μ R - coeficientul de vâscozitate dinamică la o presiune dată,
- μ 0 - coeficient de vâscozitate dinamică la o presiune cunoscută (cel mai adesea în condiții normale),
- R - presiunea de reglare,;
- P 0 - presiunea la care se măsoară valoarea μ 0 ;
- e - baza logaritmului natural este 2,718282.
Influența presiunii asupra vâscozității unui lichid apare numai la presiuni mari.
Fluide newtoniene și nenewtoniene
Lichidele newtoniene sunt lichide pentru care vâscozitatea nu depinde de viteza de deformare. În ecuația Navier - Stokes pentru un fluid newtonian, există o lege a vâscozității similară celei de mai sus (de fapt, o generalizare a legii lui Newton sau a legii lui Navier).
Diferența dintre frecarea vâscoasă și frecarea uscată este că poate dispărea simultan cu viteza. Chiar și cu o forță externă mică, o viteză relativă poate fi conferită straturilor unui mediu vâscos.
Forță de rezistență la deplasarea într-un mediu vâscos
Observația 1Pe lângă forțele de frecare, atunci când se deplasează în medii lichide și gazoase, apar forțe de rezistență ale mediului, care sunt mult mai semnificative decât forțele de frecare.
Comportarea lichidului și gazului în raport cu manifestările forțelor de frecare nu diferă. Prin urmare, următoarele caracteristici se aplică ambelor state.
Definiția 1
Acțiunea forței de rezistență care apare atunci când un corp se mișcă într-un mediu vâscos se datorează proprietăților sale:
- lipsa frecării statice, adică mișcarea unei nave plutitoare de mai multe tone cu o frânghie;
- dependența forței de rezistență de forma corpului în mișcare, cu alte cuvinte, de raționalizarea acestuia pentru a reduce forțele de rezistență;
- dependența valorii absolute a forței de rezistență de viteză.
Există anumite regularități la care sunt supuse forțele de frecare și rezistența mediului, cu desemnarea simbolică a forței totale ca forță de frecare. Valoarea sa depinde de:
- forma și dimensiunea corpului;
- starea suprafeței sale;
- viteza relativă la mediu și proprietățile acestuia, numite vâscozitate.
Pentru a descrie dependența forței de frecare de viteza corpului față de mediu, utilizați graficul din figura 1.
Poza 1. Graficul dependenței forței de frecare de viteza în raport cu mediul
Dacă valoarea vitezei este mică, atunci forța de tracțiune este direct proporțională cu υ, iar forța de frecare crește liniar cu viteza:
F t p \u003d - k 1 υ (1) .
Prezența unui minus înseamnă direcția forței de frecare în direcția opusă față de direcția vitezei.
La o valoare mare a vitezei, are loc trecerea de la o lege liniară la una pătratică, adică o creștere a forței de frecare este proporțională cu pătratul vitezei:
F t p \u003d - k 2 υ 2 (2) .
Dacă în aer dependența forței de rezistență de pătratul vitezei scade, se vorbește de viteze cu valori de câțiva metri pe secundă.
Valoarea coeficienților de frecare k 1 și k 2 depinde de forma, dimensiunea și starea suprafeței corpului și de proprietățile vâscoase ale mediului.
Exemplul 1
Dacă luăm în considerare un salt prelungit de parașutist, atunci viteza acestuia nu poate crește constant, la un moment dat va începe declinul său, la care forța de rezistență va fi egală cu forța gravitației.
Valoarea vitezei cu care legea (1) face trecerea la (2) depinde de aceleași motive.
Exemplul 2
Există o cădere a două bile metalice de mase diferite de la aceeași înălțime cu viteza inițială lipsă. Care minge va cădea mai repede?
Dat: m 1 , m 2 , m 1 > m 2
Soluţie
În timpul căderii, ambele corpuri prind viteză. La un anumit moment, mișcarea în jos se efectuează cu o viteză constantă, la care valoarea forței de rezistență (2) este egală cu forța gravitației:
F t p \u003d k 2 υ 2 \u003d m g.
Obținem viteza constantă prin formula:
υ 2 = m g k 2 .
Prin urmare, o minge grea are o viteză de cădere mai mare decât una ușoară. Prin urmare, ajungerea la suprafața pământului se va întâmpla mai rapid.
Răspuns: o minge grea va ajunge mai repede la sol.
Exemplul 3
Un parașutist zboară cu o viteză de 35 m/s până când parașuta se deschide, iar după aceea - cu o viteză de 8 m/s. Determinați tensiunea în linii atunci când parașuta se deschide. Greutate parașutist 65 kg, accelerație în cădere liberă 10 m/s 2 . Desemnați proporționalitatea lui F tr față de υ.
Dat: m 1 \u003d 65 kg, υ 1 \u003d 35 m / s, υ 2 \u003d 8 m / s.
Găsi: T-?
Soluţie
Imagine 2
Înainte de deschidere, parașutistul avea o viteză υ 1 = 35 m/s, adică accelerația lui era zero.
Conform celei de-a doua legi a lui Newton, obținem:
0 = m g - k υ 1 .
Este evident că
După ce parașuta s-a deschis, υ ei se schimbă și devine egal cu υ 2 = 8 m/s. De aici, a doua lege a lui Newton ia forma:
0 - m g - k υ 2 - T .
Pentru a găsi forța de tensiune a liniilor, este necesar să convertiți formula și să înlocuiți valorile:
T \u003d m g 1 - υ 2 υ 1 ≈ 500 N.
Răspuns: T = 500 N.
Dacă observați o greșeală în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+Enter
Interesant este că corpurile absolut uscate nu se găsesc practic niciodată în natură. În orice condiții de întreținere a echipamentelor, pe suprafața unei substanțe solide se formează pelicule subțiri de precipitații atmosferice, grăsimi etc. Frecarea dintre un corp solid și un lichid sau gaz se numește frecare vâscoasă sau fluidă.
Unde apare frecarea vâscoasă?
Frecarea vâscoasă apare atunci când corpurile solide se mișcă într-un mediu lichid sau gazos sau când lichidul sau gazul însuși curge pe lângă corpuri solide staționare.
Care este cauza frecării vâscoase?
Cauza frecării vâscoase este frecarea internă.
Dacă un corp solid se mișcă într-un mediu staționar, un strat de apă sau aer care aderă la el se mișcă odată cu el. În același timp, alunecă de-a lungul stratului adiacent. Există o forță de frecare care antrenează acest strat.
Se pune în mișcare și, la rândul său, trage următorul strat și așa mai departe. Cu cât mai departe de suprafața corpului, cu atât straturile de lichid sau gaz se mișcă mai încet. Forța de frecare dintre straturi încetinește straturile mai rapide și, prin urmare, corpul solid însuși. Este franat direct prin frecare vascoasa. Același lucru se întâmplă atunci când un curent de lichid sau gaz trece pe lângă un corp staționar.
Caracteristici interesante ale frecării vâscoase!
![](https://i2.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/48.jpg)
Se toarnă puțină apă într-un vas și se scufundă o bucată de lemn în el. Suflați pe un cip - va pluti pe apă. Și chiar dacă ai suflat slab, cipul se va mișca în continuare de la locul său.Principala diferență între frecarea vâscoasă și frecarea uscată este că nu există frecare statică vâscoasă!
Indiferent cât de mică este forța de tracțiune care acționează asupra corpului, aceasta determină imediat corpul să se miște în fluid. Cu cât această forță este mai mică, cu atât corpul va înota mai încet.
Ce determină forța de frecare într-un lichid sau gaz?
Forța de frecare experimentată de un corp în mișcare, de exemplu, într-un lichid, depinde de viteza de mișcare, de forma și dimensiunea corpului și de proprietățile lichidului.
La viteze mici de mișcare, forța de rezistență este direct proporțională cu viteza de mișcare și cu dimensiunea liniară a corpului. Corpurile experimentează cu cât forța de rezistență este mai mare, cu atât mediul va fi mai gros (vâscos). Iar lichidele pot fi nevâscoase, precum apa, sau foarte vâscoase, precum mierea. Apa are o vâscozitate mai mică decât cleiul, iar cleiul are o vâscozitate mai mică decât rășina.
Vâscozitatea depinde de temperatura lichidului.
De exemplu, iarna, motorul unei mașini care stă în frig trebuie să fie încălzit.
Acest lucru se face pentru a încălzi uleiul înghețat turnat în motor.
Vâscozitatea uleiului înghețat este mai mare decât cea a celui încălzit, iar motorul nu se poate roti rapid.
În schimb, vâscozitatea gazelor scade odată cu scăderea temperaturii.
Pe măsură ce viteza corpului crește, rezistența mediului se modifică. Depinde de natura fluxului din jurul corpului care se mișcă în el. La viteze mari, în spatele unui corp în mișcare ia naștere un flux turbulent complex, se formează figuri bizare, inele și vârtejuri.
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/75.jpg)
Rezistența la mișcare la turbulențe depinde deja de densitatea mediului, de pătratul vitezei corpului și de dimensiunea (pătratul) corpului. Dragul turbulent scade de multe ori după ce dă o formă simplificată unui corp în mișcare. Cea mai bună formă pentru un corp care se mișcă într-o coloană de lichid sau gaz este tocită în față și ascuțită în spate (de exemplu, la delfini și balene).
Acum mult timp...
Unele desene antice găsite în piramide arată egiptenii turnând lapte sub alergătorii unei sănii pe care târăsc blocuri de piatră.
Urme de ulei de măsline, care au contribuit la reducerea frecării, au fost găsite în pilonii porților fântânilor din epoca bronzului (sec. V î.Hr.) care au ajuns până la noi.
Ce este un „lubrifiant”?
Așa că ei spun despre lubrifiere: „merge ca un ceas”.
Acolo unde ai de-a face cu alunecarea suprafetelor uscate, ei incearca sa le ude, sa le lubrifieze. Butucii roților sunt mânjiți cu gudron sau unsoare; uleiul este turnat în rulmenți, grăsimea este umplută. La centralele electrice, există chiar și o poziție specială a unui ulei, turnând lubrifiant din ulei în părțile de frecare. Pe calea ferată sunt și uleiuri. Datorită lubrifierii, frecarea este redusă de 8-10 ori.
Ce fluide naturale sunt cele mai bune pentru lubrifiere?
Acestea sunt grăsimi vegetale, unt, carne de vită sau untură, gudron. Dar odată cu dezvoltarea tehnologiei, s-au găsit și alți lubrifianți, mai ieftini - uleiuri minerale obținute din rafinarea petrolului.
Ca lubrifianți moderni, se pot numi uleiuri de mașină, aviație, motorină, unsoare, unsoare, vaselină tehnică, autol, nigrol, ulei de fus, ulei de pistol.
S-a dovedit că, cu cât o piesă rotativă este mai masivă, de exemplu, cu atât lubrifiantul ar trebui să fie mai gros. Arborii grei ai turbinelor hidraulice sunt lubrifiați cu unsoare groasă, iar părțile de rulare ale ceasurilor de buzunar sunt lubrifiate cu ulei lichid și transparent pentru oase. Un lubrifiant bun ar trebui să fie „uleios”. Apoi, când mașina se oprește, cel mai subțire strat de lubrifiant rămâne în golul dintre piesele de frecare, iar când mașina este pornită, nu este necesară depășirea frecării statice între suprafețele complet uscate. Acest lucru reduce frecarea și uzura pieselor de frecare. În timpul funcționării mașinii, lubrifiantul se încălzește și își pierde parțial proprietățile, prin urmare, se folosesc dispozitive speciale pentru răcirea lubrifiantului. Și au fost create astfel de amestecuri de lubrifianți care funcționează bine chiar și pe vreme foarte rece.
Dar cel mai comun lichid din natură - apa este rareori folosită ca lubrifiant. Are o vâscozitate scăzută și, în plus, provoacă coroziunea multor metale.
![](https://i2.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/51.jpg)
Neatenția cu focul este cauza principală a incendiului pentru toate structurile.
Dar pentru morile de vânt, care acum practic au dispărut, una dintre principalele cauze ale incendiului a fost un vânt puternic, deoarece cu un vânt puternic axa lor a luat deseori foc din cauza frecării !!!
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/52.jpg)
Dacă se aplică apă la presiune ridicată pe un furtun de incendiu din pânză, acesta se poate rupe. Și dacă iei o prelată mai puternică? Pompierii americani au efectuat un astfel de experiment. Furtunul nu s-a rupt, dar când debitul de apă a ajuns la 100 de litri pe secundă, furtunul a luat foc de la frecarea apei de pereții pânzei!
Interesant!
Există un fluid care crește frecarea. Acesta este un nebun!
La lubrifierea suprafețelor de frecare cu un lubrifiant, frecarea uscată este înlocuită cu frecare vâscoasă și scade.
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/47.jpg)
Lichidele sunt un lubrifiant de frecare, dar atunci când scoateți cuiele dintr-un produs din lemn care a stat mult timp în ploaie sau într-un loc umed, trebuie să depuneți mult mai mult efort decât atunci când scoateți din unul uscat! Faptul este că golurile dintre particulele de lemn umflate cu umiditate cresc, iar unghia este mai puternic comprimată de fibrele de lemn, în timp ce forța de frecare crește.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/29.jpg)
Când un val de maree se mișcă de-a lungul fundului oceanului, forțele de frecare fac ca rotația Pământului să încetinească și ziua să se prelungească.
Frecarea vâscoasă duce la pierderea energiei mecanice a corpului în mișcare, deoarece îl încetinește. Dar asta nu înseamnă că, de exemplu, un avion va fi mai bine să zboare într-un mediu lipsit de frecare vâscoasă. Un avion în asemenea aer nu va putea decola deloc, pentru că. susținerea aripii sale și împingerea elicei sale vor fi zero!
![](https://i0.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/46.jpg)
Viteza liniară a unui satelit care se deplasează în straturi rarefiate ale atmosferei crește datorită rezistenței aerului! Paradoxul se explică prin faptul că raza orbitei scade și o parte din energia potențială a satelitului este convertită în energie cinetică.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/81.jpg)
Pentru o navă cu o deplasare de aproximativ 35.000 de tone și o lungime de aproximativ 180 m, pierderea frecării împotriva apei la o cursă de 14 noduri este de aproximativ 75% din puterea totală, iar restul de 25% este cheltuit pentru depășirea rezistenței valurilor. . Interesant este că acest ultim tip de pierdere se reduce semnificativ atunci când corpul se mișcă într-o poziție scufundată.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/79.jpg)
Atmosfera noastră de lângă suprafața pământului este de aproximativ 800 de ori mai puțin densă decât apa, dar poate, de asemenea, crea o contracarare uriașă a mișcării. Astfel, un tren obișnuit cu o viteză de 200 km/h cheltuiește aproximativ 70% din puterea sa totală pentru a depăși rezistența aerului. Chiar și cu o formă bine raționalizată, această cifră nu scade sub jumătate din puterea totală.
![](https://i1.wp.com/class-fizika.ru/images/tren/80.jpg)
Deja primul avion a simțit în mod clar forța gigantică a rezistenței aerului. Și din acel moment, reducerea rezistenței datorită unei mai bune raționalizări a devenit una dintre principalele probleme în dezvoltarea aviației. La urma urmei, frecarea cu aerul nu numai că absoarbe energia motoarelor, dar duce și la supraîncălzirea periculoasă a aeronavei în straturile dense ale atmosferei. Dar, în același timp, fluxul care se apropie servește ca una dintre sursele de ridicare a aeronavei.