Кінематична в'язкість. Механіка рідин і газів

Кінематична в`язкість є основоположною фізичною характеристикою всіх газових і рідинних середовищ. Цей показник має ключове значення при визначенні лобового опору рухомих твердих тіл і навантаження, яке вони при цьому відчувають. Як відомо, в нашому світі будь-який рух відбувається в повітряному або водному середовищі. При цьому на рухомі тіла завжди впливають сили, вектор яких протилежний напрямку переміщення самих об`єктів. Відповідно, чим більше кінематична в`язкість середовища, тим сильніше навантаження, відчуваємо твердим тілом. У чому полягає природа цієї властивості рідин і газів?

Кінематична в`язкість, обумовлена як внутрішнє тертя, обумовлена перенесенням імпульсу молекул речовини перпендикулярно напрямку руху його верств, які мають різні швидкості. Наприклад, в рідинах кожну із структурних одиниць (молекулу) з усіх боків оточують її найближчі сусіди, розташовані приблизно на відстані, рівному їх діаметру. Кожна молекула коливається навколо так званого положення рівноваги, але, приймаючи імпульс від своїх сусідів, вона здійснює різкий стрибок у напрямку нового центру коливань. За секунду кожна така структурна одиниця речовини встигає змінити місце своєї осілості близько ста мільйонів разів, здійснюючи між стрибками від однієї до сотні тисяч коливань. Зрозуміло, чим сильніше таке молекулярне взаємодія, тим менше буде рухливість кожної структурної одиниці і, відповідно, більше кінематична в`язкість речовини.

Якщо на яку-небудь молекулу діють постійні зовнішні сили з боку сусідніх шарів, то в цьому напрямку частка робить більше переміщень за певну одиницю часу, ніж у протилежному. Тому її хаотичне блукання перетвориться в впорядкований рух з певною швидкістю, що залежить від сил, на неї впливають. Така в`язкість властива, наприклад, моторних мастил. Тут має значення і той факт, що прикладені до розглянутої частці зовнішні сили виконують роботу за своєрідним розсовування шарів, крізь які протискується дана молекула. Такий вплив в кінцевому підсумку збільшує швидкість теплового безладного руху частинок, яка не змінюється з часом. Інакше кажучи, рідини характеризуються рівномірним течією, незважаючи на постійний вплив різноспрямованих зовнішніх сил, оскільки вони врівноважуються внутрішнім опором шарів речовини, що якраз і визначає коефіцієнт кінематичної в`язкості.

Зі збільшенням температури рухливість молекул починає зростати, що призводить до деякого зменшення опору шарів речовини, оскільки в будь розігрітій субстанції створюються більш сприятливі умови для вільного переміщення частинок в напрямку прикладеної сили. Це можна порівняти з тим, як людині набагато легше протиснутися крізь безладно рухому натовп, ніж через нерухому. Значним показником кінематичної в`язкості, вимірюваної в Стокс або Паскалях-секундах, володіють розчини полімерів. Це пов`язано з наявністю в їх структурі довгих жорстко пов`язаних молекулярних ланцюгів. Але при підвищенні температури показник їх в`язкості швидко зменшується. При пресуванні виробів з пластмаси її ниткоподібні, химерно переплетені молекули примусово приймають нове положення.

В`язкість газів при температурі 20 ° C і атмосферному тиску 101,3 Па має порядок 10<sup>-5</sup>Па * с. Наприклад, кінематична в`язкість повітря, гелію, кисню і водню при таких умовах будуть рівні відповідно 1,82 * 10^-5- 1,96 * 10^-5- 2,02 * 10^-5- 0,88 * 10^-5 Па * с. А рідкий гелій взагалі має дивовижну властивість надплинності. Це явище, відкрите академіком П.Л. Капицею, полягає в тому, що даний метал в такому агрегатному стані майже не володіє в`язкістю. Для нього це показник практично дорівнює нулю.