Vpustite plyn v pokoji smerom nahor, kolmo na os X, platňa sa pohybuje rýchlosťou υ 0, a (υ T je rýchlosť tepelného pohybu molekúl). Doska nesie so sebou susednú vrstvu plynu, tú vrstvu – susednú atď. Všetok plyn je rozdelený do tenkých vrstiev, ktoré sa posúvajú nahor, čím pomalšie sú od dosky. Keďže sa vrstvy plynu pohybujú rôznymi rýchlosťami, dochádza k treniu. Poďme zistiť príčinu trenia v plyne.
Ryža. 3.5
Každá molekula plynu vo vrstve sa podieľa na dvoch pohyboch: tepelnom a smerovom.
Keďže smer tepelného pohybu sa chaoticky mení, v priemere je vektor tepelnej rýchlosti nulový. Pri riadenom pohybe sa celá sada molekúl bude unášať konštantnou rýchlosťou v. Teda priemerná hybnosť jednotlivej molekuly s hmotnosťou m vo vrstve je určená iba rýchlosťou driftu υ:
Ale keďže sa molekuly podieľajú na tepelnom pohybe, budú sa pohybovať z vrstvy na vrstvu. Zároveň so sebou ponesú dodatočný impulz, ktorý bude určený molekulami vrstvy, do ktorej molekula prešla. Miešanie molekúl rôznych vrstiev vedie k vyrovnávaniu driftových rýchlostí rôznych vrstiev, čo sa makroskopicky prejavuje ako pôsobenie trecích síl medzi vrstvami.
Vráťme sa k obr. 3.5 a zvážte elementárnu oblasť d S kolmo na os X. Prostredníctvom tejto platformy v čase d t toky molekúl sa pohybujú doľava a doprava:
 |
Ale tieto toky nesú rôzne impulzy: a .
Keď sa hybnosť prenáša z vrstvy na vrstvu, hybnosť týchto vrstiev sa mení. To znamená, že každá z týchto vrstiev je vystavená sile rovnajúcej sa zmene hybnosti. Táto sila nie je nič iné ako trecia sila medzi vrstvami plynu pohybujúcich sa rôznymi rýchlosťami. Odtiaľ názov - vnútorné trenie .
Zákon viskozity objavil v roku 1687 I. Newton.
Prepravované v priebehu času d t hybnosť sa rovná:
Odtiaľ získame silu pôsobiacu na jednotku plochy povrchu oddeľujúcu dve susediace vrstvy plynu:
Viskozita (vnútorné trenie) - Toto je vlastnosť skutočných kvapalín odolávať pohybu jednej časti kvapaliny voči druhej. Keď sa niektoré vrstvy skutočnej kvapaliny pohybujú voči iným, vznikajú vnútorné trecie sily, smerujúce tangenciálne k povrchu vrstiev. Pôsobenie týchto síl sa prejavuje tak, že zo strany rýchlejšie sa pohybujúcej vrstvy na pomalšie sa pohybujúcu vrstvu pôsobí zrýchľujúca sila. Zo strany pomalšie sa pohybujúcej vrstvy pôsobí brzdná sila na rýchlejšie sa pohybujúcu vrstvu.
Vnútorná trecia sila Fčím väčšia, tým väčšia je uvažovaná plocha povrchu vrstvy S (obr. 52) a závisí od toho, ako rýchlo sa mení rýchlosť prúdenia tekutiny pri pohybe z vrstvy na vrstvu.
Obrázok ukazuje dve vrstvy, ktoré sú od seba vzdialené vo vzdialenosti x a pohybujú sa rýchlosťou v 1 a v 2. V tomto prípade v 1 -v 2 = v. Smer, v ktorom sa meria vzdialenosť medzi vrstvami, je kolmý prietoky vrstvy. Hodnota v/x ukazuje, ako rýchlo sa mení rýchlosť pri pohybe z vrstvy na vrstvu v smere X, kolmo na smer pohybu vrstiev, a je tzv rýchlostný gradient. Teda modul vnútornej trecej sily
kde je koeficient proporcionality , v závislosti od charakteru kvapaliny je tzv dynamická viskozita(alebo jednoducho viskozita).
Jednotkou viskozity je pascal sekunda (Pa s): 1 Pa s sa rovná dynamickej viskozite média, v ktorom pri laminárnom prúdení a gradiente rýchlosti s modulom rovným 1 m/s na 1 m dochádza k vnútornému treniu pri dotyku vrstiev nastáva sila 1 N na 1 m2 povrchu (1 Pa s = 1 N s/m 2).
Čím vyššia je viskozita, tým viac sa kvapalina líši od ideálu, tým väčšie sú sily vnútorného trenia, ktoré v nej vznikajú. Viskozita závisí od teploty a charakter tejto závislosti je odlišný pre kvapaliny a plyny (pre kvapaliny m] klesá so zvyšujúcou sa teplotou, pre plyny naopak stúpa), čo naznačuje ich rozdiel
mechanizmy vnútorného trenia. Viskozita olejov obzvlášť silne závisí od teploty. Napríklad viskozita ricínového oleja je v rozmedzí 18-40 ° S klesne štvornásobne. Sovietsky fyzik P. L. Kapitsa (1894-1984; Nobelova cena 1978) zistil, že pri teplote 2,17 K prechádza kvapalné hélium do supratekutého stavu, v ktorom je jeho viskozita nulová.
Existujú dva režimy prúdenia tekutiny. Prúd je tzv laminárne (vrstvené), ak pozdĺž toku každá vybraná tenká vrstva kĺže relatívne k svojim susedom bez toho, aby sa s nimi miešala, a turbulentný (vír), ak pozdĺž toku dochádza k intenzívnej tvorbe vírov a miešaniu kvapaliny (plynu).
Laminárne prúdenie kvapaliny sa pozoruje pri nízkych rýchlostiach jej pohybu. Vonkajšia vrstva kvapaliny priliehajúca k povrchu potrubia, v ktorom prúdi, k nemu priľne v dôsledku molekulárnych adhéznych síl a zostáva nehybná. Čím väčšia je vzdialenosť od nasledujúcich vrstiev k povrchu rúry, tým väčšia je rýchlosť nasledujúcich vrstiev a vrstva pohybujúca sa pozdĺž osi rúry má najvyššiu rýchlosť.
Pri turbulentnom prúdení získavajú častice tekutiny zložky rýchlosti kolmé na prúdenie, takže sa môžu pohybovať z jednej vrstvy do druhej. Rýchlosť častíc kvapaliny sa rýchlo zvyšuje, keď sa vzďaľujú od povrchu potrubia, potom sa mení pomerne mierne. Keďže častice kvapaliny sa pohybujú z jednej vrstvy do druhej, ich rýchlosti sa v rôznych vrstvách líšia len málo. Kvôli veľkému spádu
rýchlosti, víry sa zvyčajne tvoria v blízkosti povrchu potrubia.
Priemerný rýchlostný profil pre turbulentné prúdenie v potrubí (obr. 53) sa líši od parabolického profilu pre laminárne prúdenie rýchlejším nárastom rýchlosti v blízkosti stien potrubia a menším zakrivením v centrálnej časti prúdenia.
Anglický vedec O. Reynolds (1842-1912) v roku 1883 zistil, že charakter prúdenia závisí od bezrozmernej veličiny tzv. Reynoldsovo číslo:
kde v = / - Kinematická viskozita;
- hustota kvapaliny; (v) je priemerná rýchlosť tekutiny cez prierez potrubia; d- charakteristický lineárny rozmer, napríklad priemer potrubia.
Pri nízkych hodnotách Reynoldsovho čísla (Re1000) sa pozoruje laminárne prúdenie, prechod z laminárneho prúdenia na turbulentné prúdenie nastáva v oblasti 1000:Re2000 a pri Re = 2300 (pre hladké potrubia) prúdenie je turbulentné. Ak je Reynoldsovo číslo rovnaké, potom je režim prúdenia rôznych kvapalín (plynov) v potrubiach rôznych sekcií rovnaký.
) mechanická energia odovzdaná telesu pri jeho deformácii. Vnútorné trenie sa prejavuje napríklad tlmením voľných vibrácií. V kvapalinách a plynoch sa podobný proces zvyčajne nazýva viskozita. Vnútorné trenie v pevných látkach je spojené s dvoma rôznymi skupinami javov – nepružnosťou a plastickou deformáciou.
Neelasticita je odchýlka od vlastností pružnosti pri deformácii telesa v podmienkach, kde prakticky nedochádza k žiadnej zvyškovej deformácii. Pri deformácii konečnou rýchlosťou dochádza v telese k odchýlke od tepelnej rovnováhy. Napríklad pri ohýbaní rovnomerne zahriatej tenkej dosky, ktorej materiál sa pri zahriatí rozťahuje, sa natiahnuté vlákna ochladia, stlačené vlákna sa zahrejú, čo vedie k priečnemu rozdielu teplôt, to znamená, že elastická deformácia spôsobí narušenie tepelnej energie. rovnováha. Následné vyrovnávanie teploty vedením tepla je proces sprevádzaný nevratným prechodom časti elastickej energie na energiu tepelnú. To vysvetľuje experimentálne pozorované tlmenie voľných ohybových vibrácií dosky - takzvaný termoelastický efekt. Tento proces obnovy narušenej rovnováhy sa nazýva relaxácia.
Pri elastickej deformácii zliatiny s rovnomerným rozložením atómov rôznych zložiek môže dôjsť k prerozdeleniu atómov v látke v dôsledku rozdielu v ich veľkostiach. Obnovenie rovnovážneho rozloženia atómov difúziou je tiež relaxačným procesom. Prejavmi neelastických, alebo relaxačných vlastností sú aj elastické následky v čistých kovoch a zliatinách, elastická hysteréza.
Deformácia, ku ktorej dochádza v elastickom telese, závisí nielen od vonkajších mechanických síl, ktoré naň pôsobia, ale aj od teploty telesa, jeho chemického zloženia, vonkajších magnetických a elektrických polí (magnetostrikcia a elektrostrikcia) a veľkosti zŕn. To vedie k rôznym relaxačným javom, z ktorých každý prispieva k vnútornému treniu. Ak v tele prebieha súčasne niekoľko relaxačných procesov, z ktorých každý môže byť charakterizovaný vlastným relaxačným časom, potom súčet všetkých relaxačných časov jednotlivých relaxačných procesov tvorí tzv. relaxačné spektrum daného materiálu; Každá štrukturálna zmena vo vzorke mení relaxačné spektrum.
Na meranie vnútorného trenia sa používajú tieto metódy: štúdium tlmenia voľných vibrácií (pozdĺžne, priečne, torzné, ohybové); štúdium rezonančnej krivky pre nútené oscilácie; relatívny rozptyl elastickej energie počas jednej periódy kmitania. Štúdium vnútorného trenia pevných látok je oblasťou fyziky pevných látok a je zdrojom informácií o procesoch, ktoré sa vyskytujú v pevných látkach, najmä v čistých kovoch a zliatinách podrobených mechanickému a tepelnému spracovaniu.
Ak sily pôsobiace na pevné teleso prekročia medzu pružnosti a dôjde k plastickému toku, potom môžeme hovoriť o kvázi viskóznom odpore proti toku (analogicky s viskóznou tekutinou). Mechanizmus vnútorného trenia pri plastickej deformácii sa výrazne líši od mechanizmu vnútorného trenia pri nepružnosti. Rozdiel v mechanizmoch rozptylu energie určuje rozdiel v hodnotách viskozity, ktoré sa líšia o 5-7 rádov. Keď sa amplitúda elastických vibrácií zvyšuje, nožnice na plasty začínajú hrať veľkú úlohu pri tlmení týchto vibrácií a hodnota viskozity sa zvyšuje, blíži sa k hodnotám plastickej viskozity.
Viskozitný koeficient .
Viskozita je jedným z najdôležitejších javov pozorovaných pri pohybe skutočnej tekutiny.
Všetky skutočné kvapaliny (a plyny) vykazujú viskozitu alebo vnútorné trenie do jedného alebo druhého stupňa. Keď medzi jej vrstvami prúdi skutočná tekutina, vznikajú trecie sily. Tieto sily sa nazývajú sily vnútorného trenia alebo viskozity.
Viskozita je trenie medzi vrstvami kvapaliny (alebo plynu), ktoré sa navzájom pohybujú.
Sily viskozity (vnútorné trenie) sú smerované tangenciálne na kontaktné vrstvy kvapaliny a pôsobia proti pohybu týchto vrstiev voči sebe navzájom. Rýchlejšiu vrstvu spomaľujú a pomalšiu zrýchľujú. Existujú dva hlavné dôvody viskozity:
po prvé, interakčné sily medzi molekulami susedných vrstiev pohybujúce sa rôznymi rýchlosťami;
po druhé, prechod molekúl z vrstvy do vrstvy a s tým spojený prenos hybnosti.
Z týchto dôvodov sa vrstvy navzájom ovplyvňujú, pomalá vrstva sa zrýchľuje, rýchla vrstva spomaľuje. V kvapalinách je prvý dôvod vyjadrený jasnejšie, v plynoch druhý.
Ak chcete objasniť vzorce, ktoré riadia sily vnútorného trenia, zvážte nasledujúci experiment. Zoberme si dve vodorovné platne s vrstvou tekutiny medzi nimi (obr. 9). Hornú platňu uvádzame do pohybu na konštantnú rýchlosť 
. Aby ste to dosiahli, musíte na platňu pôsobiť silou 
prekonať treciu silu 
, pôsobiace na platničku pri jej pohybe v kvapaline. Vrstva kvapaliny priliehajúca priamo k hornej doske v dôsledku zvlhčenia priľne k doske a pohybuje sa s ňou. Vrstva kvapaliny prilepená na spodnej doske je s ňou držaná v pokoji, 
. Medzivrstvy sa pohybujú tak, že každá horná má rýchlosť väčšiu ako tá, ktorá leží pod ňou. Šípky na obr. 9 znázorňujú „rýchlostný profil“ prúdenia. Pozdĺž osi kolmej na vektor 
, rýchlosť sa zvyšuje. Meranie rýchlosti je charakterizované hodnotou 
.
Rozsah 
ukazuje, aké meranie rýchlosti je na jednotku dĺžky pozdĺž smeru zmeny rýchlosti, t.j. 
určuje rýchlosť zmeny rýchlosti a smeru kolmo na samotnú rýchlosť. Od tejto hodnoty závisí trenie medzi vrstvami. Rozsah 
merané v 
.
Newton objavil, že trecia sila medzi dvoma vrstvami kvapaliny je priamo úmerná ploche kontaktu medzi vrstvami 
a veľkosť 
:
.
(13)
Vzorec (13) sa nazýva Newtonov vzorec pre viskózne trenie. Faktor proporcionality 
nazývaný viskozitný koeficient (vnútorné trenie). Z (13) je zrejmé, že
V systéme 
Mernou jednotkou pre koeficient viskozity je
(pascal - sekunda),
v systéme SGS sa meria koeficient viskozity v 
(poise) a
Nazývajú sa kvapaliny, pre ktoré je splnený Newtonov vzorec (13). newtonovský. Pre takéto kvapaliny závisí viskozitný koeficient iba od teploty. Medzi biologické tekutiny patrí medzi newtonské tekutiny krvná plazma a lymfa. Pre mnoho reálnych kvapalín nie je vzťah (13) striktne splnený. Takéto kvapaliny sa nazývajú nenewtonovské. Pre nich koeficient viskozity 
závisí od teploty, tlaku a množstva ďalších veličín. Tieto tekutiny zahŕňajú tekutiny s veľkými komplexnými molekulami, ako je napríklad plná krv.
Viskozita krvi zdravého človeka 
, s patológiou kolíše, čo ovplyvňuje rýchlosť sedimentácie erytrocytov. Viskozita venóznej krvi je vyššia ako viskozita arteriálnej krvi.
VNÚTORNÉ TRENIE v pevných látkach - vlastnosť pevných látok nevratne sa premieňať na mechanické teplo. energia odovzdaná telu počas procesov jeho deformácie, sprevádzaná porušením termodynamiky v ňom. rovnováhu.
Napätie je jednou z neelastických alebo relaxačných vlastností (pozri. Relaxácia), ktoré teória elasticity nepopisuje. Ten je založený na skrytom predpoklade kvázistatiky. povaha (nekonečne malá rýchlosť) elastickej deformácie, kedy nie je narušená termodynamika v deformovanom telese. rovnováha. Zároveň v kl. časový okamih je určený hodnotou deformácie v tom istom okamihu. Pre stav lineárneho napätia. Telo, ktoré sa riadi týmto zákonom, sa nazýva. dokonale elastické, M0- statický ideálne elastické teleso zodpovedajúce druhu uvažovanej deformácie (ťah, krútenie). S periodickou deformácie ideálne elastického telesa sú v rovnakej fáze.
Pri deformácii konečnou rýchlosťou dochádza v telese k odchýlke od termodynamiky. rovnováhu, čo spôsobuje primeranú relaxáciu. proces (návrat do rovnovážneho stavu), sprevádzaný disipáciou (disipáciou) elastickej energie, t.j. jej nevratným prechodom na teplo. Napríklad pri ohýbaní rovnomerne zohriatej platne sa materiál pri zahrievaní rozťahuje, natiahnuté vlákna sa ochladzujú, stlačené vlákna sa zahrievajú, v dôsledku čoho vzniká priečny teplotný gradient, t.j. elastická deformácia spôsobí poruchu. Vyrovnanie teploty prostredníctvom tepelnej vodivosti predstavuje relaxáciu. proces sprevádzaný nevratným prechodom časti elastickej energie na tepelnú energiu, čo vysvetľuje experimentálne pozorované tlmenie voľných ohybových vibrácií dosky. Počas elastickej deformácie zliatiny s rovnomerným rozložením atómov komponentov môže dôjsť k ich prerozdeleniu v dôsledku rozdielu v ich veľkostiach. Obnovenie rovnovážneho rozdelenia aj tým, že predstavuje relaxáciu. proces. Prejavy neelastických alebo relaxačných vlastností sú okrem už spomínaných elastických následkov v čistých kovoch a zliatinách, elastická hysterézia atď.
Deformácia, ku ktorej dochádza v elastickom telese, je určená nielen vonkajšími mechanickými silami, ktoré naň pôsobia. sily, ale aj zmeny telesnej teploty, jej chem. zloženie, vonkajší magnet. a elektrické polia (magneto- a elektrostrikcia), veľkosti zŕn a pod.
Ryža. 1. Typické relaxačné spektrum tuhej látky pri izbovej teplote spojené s procesmi: ja- anizotropné rozloženie rozpustených atómov pod vplyvom vonkajších napätí; II- v hraničných vrstvách polykryštálových zŕn; III- na hraniciach medzi dvojčatami; IV- rozpúšťanie atómov v zliatinách; V- priečne tepelné toky; VI - medzikryštalické tepelné toky.
To vedie k rôznym možnostiam relaxácie. javov, z ktorých každý sa podieľa na V. t. Ak v organizme dochádza súčasne k viacerým relaxáciám. procesov, z ktorých každý môže byť charakterizovaný vlastným relaxačným časom, potom súhrn všetkých relaxačných časov odd. relaxácia procesov tvorí tzv. relaxácia spektrum daného materiálu (obr. 1), ktoré charakterizuje daný materiál za daných podmienok; Každá štrukturálna zmena vo vzorke sa prejaví charakteristickou zmenou relaxácie. spektrum
Je ich viacero fenomenologické teórie nepružných alebo relaxačných vlastností, medzi ktoré patria: a) Boltzmann-Volterrova teória elastického následného účinku, ktorá hľadá také spojenie medzi napätím a deformáciou, ktoré odráža predchádzajúcu históriu deformovateľného telesa: kde typ „pamäťovej funkcie“ “ zostáva neznámy; b) metóda reológie, modely, ktoré vedú k vzťahom ako:
Táto lineárna diferenciálna deformácia charakterizuje časovú závislosť a je základom pre popis lineárneho viskoelastického správania pevného telesa.
Ryža. 2. Vochtov mechanický model, pozostávajúci z paralelne zapojených pružín 1
a piest vo valci 2
naplnené viskóznou kvapalinou.
Ryža. 3. Model Maxwell so sériovým pružinovým pripojením 1 až piest vo valci 2 .
Javy opísané rovnicami (1) sú modelované mechanicky. a elektrické schémy znázorňujúce sériové a paralelné zapojenie pružných (pružiny) a viskóznych (piest vo valci s viskóznou kvapalinou) prvkov alebo nádob a aktívnych odporov. Naíb. jednoduché modely: paralelné spájanie prvkov, vedúce k závislosti (tzv. Vochtovo pevné teleso - obr. 2), a sekvenčné. spojenie prvkov 
(tzv. Maxwellovo pevné teleso - obr. 3). Nasledovala cesta. a paralelné spojenia viacerých. Modely Vocht a Maxwell s rôznymi hodnotami tuhosti a koeficientu pruženia. viskózna odolnosť umožňuje celkom presne opísať vzťahy medzi napätím a deformáciami vo viskoelastickom telese; c) teória založená na termodynamike nerovnovážnych stavov, najmä pre prípad jednej relaxácie. proces vedie k zovšeobecneniu Hookovho zákona:
Kde 
, a je materiálová konštanta s rozmerom viskozity, - . Pre periodické deformácia s cykl frekvencia sa ukáže byť: 
, Kde
t.j. fázovo posunuté o uhol:
Kde 
- tzv defekt modulu alebo úplný stupeň relaxácie; G). Teória vysokého napätia, podľa ktorej je zdrojom vysokého napätia pohyb dislokácií, vysvetľuje napríklad pokles vysokého napätia s vnášaním nečistôt tým, že tieto bránia pohybu dislokácií. Tento odpor voči pohybu dislokácií je často (analogicky s viskozitou kvapalín) tzv. viskózna. Napäťový odpor vo vysoko deformovaných materiáloch sa vysvetľuje vzájomným brzdením dislokácií atď. Na meranie napäťového odporu sa používajú tieto metódy: a) štúdium tlmenia voľných vibrácií (pozdĺžnych, priečnych, torzných, ohybových); b) štúdium rezonančnej krivky pre vynútené; c) štúdium útlmu ultrazvukového impulzu s vlnovou dĺžkou . Miery vysokého napätia sú: a) dekrement vibrácií, kde je fázový posun medzi napätím a deformáciou pri elastických vibráciách, hodnota Q podobne ako elektrické oscilačný obvod; c) relatívny rozptyl elastickej energie počas jednej periódy kmitania; d) šírka, kde je odchýlka od rezonančnej frekvencie, pri ktorej druhá mocnina amplitúdy vynútených kmitov klesá 2-krát. Dif. Miery V.T pre malé hodnoty útlmu () navzájom súvisia:
Ak chcete vylúčiť plast. deformácie, amplitúda vibrácií počas meraní by mala byť taká malá, aby Q-1 nezávisel od nej.
Relaxačné spektrum možno získať zmenou cyklickej frekvencie. kolísanie a tepl. Pri absencii relaxačných procesov v skúmanom teplotnom rozsahu sa aktuálna teplota zvyšuje monotónne a ak k takémuto procesu dôjde, potom sa na krivke teplotnej závislosti objaví maximum (vrchol) aktuálnej teploty pri teplote, H- relaxačná aktivačná energia. proces, - materiálová konštanta, - cyklická. oscilačná frekvencia.
Pomocou metódy voľných torzných kmitov malej amplitúdy a nízkej frekvencie je možné študovať parametre rozpustnosti a difúzie atómov tvoriacich intersticiálne tuhé roztoky, fázové premeny, kinetiku a energiu. charakteristiky rozkladu presýtených tuhých roztokov a pod. Na štúdium pohybu hraníc feromagnetických domén sú vhodné oscilácie od 5 kHz do 300 kHz na štúdium rozptylu kryštalických vibrácií v kove sa využívajú oscilácie okolo 30 MHz. mriežkové () vodivé elektróny. Štúdium elektrických vlastností pevných látok je zdrojom informácií o stavoch a procesoch, ktoré vznikajú v pevných látkach, najmä v čistých kovoch a zliatinách, ktoré boli podrobené riedeniu. mechanický
a tepelné úpravy. Lit Postnikov V.S., v kovoch, 2. vydanie, M., 1974; Fyzikálna akustika, vyd. W. Mason, prekl. z angličtiny, zv. 3, časť A - Vplyv defektov na vlastnosti pevných látok, M., 1969; Novik A.S., Berry B., Relaxačné javy v kryštáloch, prel. z angličtiny, M., 1975.
B. N. Finkelshtein.
Načítava...