Вязкость

Вязкость

Вязкость – сопротивление, оказываемое телом движению отдельной его части без нарушения связи целого. Такое движение составляет характеристику жидкостей, как «капельных», так и «упругих», т.е. газов. Малейшая сила приводит в движение часть жидкого тела и вызывает в жидкости «течения», длящиеся и по прекращении действия силы. При определении В. предстоит иметь прежде всего в виду тела жидкие, капельно-жидкие и упруго-жидкие. По определению Ньютона, жидкость представляет тело, обладающее такою подвижностью, что отдельные части его могут совершенно свободно перемещаться внутри тела, как бы скользя без трения. Таково определение идеальной жидкости, реальные же жидкости обнаруживают лишь определенную степень подвижности. Движение, сообщенное части жидкости, постепенно замедляется и наконец совершенно прекращается, превращаясь в теплоту. Причина, задерживающая свободное движение частей жидкости, причина мешающая жидкости «течь», называется «внутренним трением» или В. жидкости. Чтобы поддерживать течение жидкости с некоторою постоянной скоростью, необходимо непрерывное действие силы, необходимо постоянное давление, величина которого и может служить мерой В. Величина В. характеризует как бы степень несовершенства жидкости. И в обычном языке «густой» или «вязкой» жидкости мы противопоставляем «жидкую» (напр., мы говорим: «жидкое вино, жидкое молоко» и т.п.), т.е. такую, которая представляет высокую степень подвижности. Как бы ни были, однако, велики величины В., пока мы имеем дело с жидкостями, явления движения их должны представлять лишь количественные различия. И при огромной В. всякая, даже весьма малая сила, должна вызывать конечную скорость «течения». Только в том случае, когда величина В. является бесконечной, когда конечная сила вызывает бесконечно малую скорость течения, т.е. когда тело вовсе не течет при действии некоторой силы, оно лишено свойств жидкости. При решении вопроса о том, приложимо ли и к твердым телам понятие о В., необходимо рассмотреть: представляют ли и в каких условиях твердые тела бесконечную величину В. Твердые тела характеризуются упругостью. Сила, приложенная к упругому телу, вызывает изменение формы – деформацию, наступающую немедленно, и никаких длящихся движений в частях упругого тела не происходит. Опыт показывает, что твердые тела упруги лишь в известных пределах деформации. За этими пределами упругости твердые тела обнаруживают большую или меньшую «пластичность», свойство в основе тождественное с «текучестью» жидкостей. Многие твердые тела обладают весьма низким пределом упругости и при действии даже весьма малых сил являются пластичными. Подвергая такие тела значительному давлению, можно вызвать движете, вполне отвечающее «течению» жидкостей. По опытам Треска, свинец при большом давлении выдавливается из отверстий сосуда подобно жидкости, а по опытам Спринга – при давлении в несколько тысяч атмосфер почти все твердые тела (даже и весьма хрупкие при обычных условия) являются пластичными. Высокую степень пластичности обнаруживают не только даже аморфные, но и кристаллические тела. Примером пластичности кристаллического тела может служить пластичность льда. Замечательны «текучие кристаллы» Лемана, обнаруживающие признаки кристаллического сложения (при оптическом исследовании) только тогда, когда их тяжесть уравновешена окружающею жидкостью; при недостаточном соблюдении этого условия кристаллы эти текут, как жидкость, и не обнаруживают кристаллического сложения. При низком пределе упругости различие между твердым телом и жидкостью сглаживается и решить, имеем ли мы в таком случае дело с весьма вязкой жидкостью или с весьма пластичным твердым телом, нелегко. Глицерин, напр., мы можем признать еще жидкостью, хотя и весьма вязкою, но чем считать вазелин, воск и т.п.? Критерием является существование предела упругости. Но при низком пределе упругости и при большой В. установить существование предела упругости невозможно. При этих условиях пришлось бы неизбежно прилагать малые силы, а при малых силах и большой В. скорость «течения» так ничтожна, что легко ускользает от наблюдения. Опыт показывает, что многие мало пластичные тела, как, например, вар, даже чугун и мрамор, при весьма продолжительном действии сравнительно слабых сил испытывают изменения формы, не исчезающие по прекращении действия силы. Весьма наглядно обнаруживает явления пластичности стекло. Если оставить, например, термометр в горизонтальном положении, подпертым в крайних точках, то через несколько лет он оказывается сильно изогнутым. Таким образом, подвергая тела кратковременному действию силы, можно впасть в ошибку относительно предела упругости и признать тело в известных пределах совершенно упругим и бесконечно вязким только вследствие недостаточной продолжительности наблюдения. Был, поэтому, возбуждаем вопрос: существует ли вообще предел упругости, или же при продолжительном действии даже малейших сил все тела испытывают длящиеся изменения формы. Существуют ли тела с бесконечно большой вязкостью и совершенно лишенные «текучести»? Опытного решения этого вопроса, как и аналогичного ему вопроса о летучести или испаряемости тел, не имеется, и вряд ли такое решение можно ждать в будущем. Во всяком случае, мы можем утверждать, что по отношению к текучести нет резкой границы между жидкими и твердыми телами. Благодаря существованию весьма вязких жидкостей и весьма пластичных твердых тел, оба состояния связаны столь непрерывной цепью, что можно по отношению к В. говорить о резких различиях только крайних членов цепи. Понятие о вязкости не связано исключительно с представлением о жидкости. Оно приурочено лишь к тому роду движения, который свойственен высокой степени жидкостям и обнаруживается в их «течении». Чтобы определить меру вязкости, рассмотрим движение жидкости в простейших условиях, имеющих место при движении ее с постоянной скоростью по цилиндрической трубке, ею смачиваемой. При этом внешнее трение не имеет места, соприкасающийся с поверхностью трубки слой жидкости находится в покое и течение ее представляет скольжение бесконечного числа цилиндрических поверхностей. Такое движение по цилиндрическим поверхностям весьма наглядно обнаружено в вышеуказанных опытах Треска. Сжимая серию пластинок свинца. Треска заставлял свинец выдавливаться через круглое отверстие внизу в форме цилиндра. Разрез этого цилиндра представлял ряд концентрических слоев, совершенно подобных годичным слоям дерева. Исходя из указанного представления и основываясь на следующих положениях Ньютона: 1) трение двух поверхностей жидкости пропорционально их относительной скорости, 2) пропорционально величине поверхностей, и 3) не зависит от давления, под которым находится жидкость, Стокс (а впоследствие и другие) вывел следующую зависимость , где V – объем вытекшей в единицу времена жидкости, r – радиус трубки, l – ее длина, D – давление жидкости, m – постоянная, характеризующая В. жидкости, а p – известное отношение окружности к диаметру. Такая же зависимость выведена была еще ране из непосредственных опытов Пуазелем. Таким образом, зная объем протекшей по трубке в единицу времени жидкости, давление, длину и радиус трубки, можно вычислить m-постоянную В. Эта постоянная выражает силу, необходимую для того, чтобы вызвать в двух слоях жидкости, с поверхностью равной 1 и расположенных на расстоянии равном 1, разность скоростей, равную 1, при условии, что движение представит скольжение бесконечного числа параллельных плоскостей. Точное определение абсолютной величины постоянной m сопряжено с затруднениями, вследствие трудности точного измерения размеров трубки. Вследствие этого предпочитают определять относительную величину этой постоянной, сравнивая время, необходимое для прохождения через одну и ту же трубку данного объема жидкостей при данном давлении. В этом случае m: m1 = t : t1, т.е. вязкости относятся, как времена истечения. За единицу В. принимают В. воды. Описанный способ наиболее употребителен для определения В. Для той же цели применялись также наблюдения над качанием дисков. В. представляет величину весьма характерную для жидкостей. Зависимость между составом и В., как показал Грэм, представляет тот, же характер, как и зависимость между составами и температурой кипения. Несмотря на значительное число исследований, привести зависимость между составом жидкостей и их вязкостью к простой формуле и поныне не удалось. В. уменьшается с температурой. Заслуживают внимания наблюдения над В. растворов. Найдено, что раствор, составленный в пропорции, представляющей и в отношении других свойств особенности, обнаруживает и наибольшую вязкость. Так из растворов спирта и воды наибольшую В. обнаруживает раствор, которому отвечает а наибольшее сжатие. Наибольшая В. отвечает растворам, состав которых выражается простыми частичными формулами. Замечательны также наблюдения над В. водных растворов солей хлористоводородной кислоты, обнаруживших соотношение между В. этих растворов и положением элементов в периодической системе.

Д. Коновалов.