2.4. Вязкость

Вязкость жидкости - свойство реальной жидко­сти, заключающееся в том, что при ее движении по повер­хностям скольжения отдельных слоев (или частиц) жидко­сти друг по другу возникают силы трения той или другой величины (действующие вдоль поверхностей скольжения). Вязкость характеризуется динамическим коэффици­ентом вязкости μ, который входит в формулу Ньютона определения силы сопротивления, отнесенной к единице площади (напряжение трения):

, Н / м²,

где τ - сила сопротивления, отнесенная к единице площади, Н / м²;

μ - динамический коэффициент вязкости, Н / м² *с;

– градиент скорости, представляющий собой изменение скорости в слое толщиной .

Единицей измерения динамической вязкости является Паскаль на секунду (Па*с); ее называют пуазейлем.

На практике динамическую вязкость часто измеряют в пуазах (П); так называют единицу динамической вязкости в физической системе единиц.

Между пуазейлем и пуазом существует следующее соотношение:

1 Па*с = 10 П.

В гидравлике наряду с коэффициентом динамичес­кой вязкости μ применяется коэффициент кинематичес­кой вязкости жидкости ν, равный:

,

где ρ - плотность жидкости, кг /м³.

Единицей кинематической вязкости ν в системе СИ яв­ляется квадратный метр на секунду (м²/с). В физической системе кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст.).

Указанные единицы связаны между собой следую­щим соотношением:

1 м² /с = 1 * 10⁴ Ст

Величину, обратную коэффициенту динамической вязкости (абсолютной вязкости) называют текучестью:

, с /м².

Вязкость жидкости уменьшается с увеличением тем­пературы. Для воды эта зависимость имеет вид:

,

где ν - кинематическая вязкость, Ст;

t - температура, ˚С.

Вязкость жидкости, как показывают опыты, зависит также и от давления - обычно возрастая при его увеличении; исключением является вода, для которой при температуре до + 32 °С с увеличением давления вязкость уменьшается.

Существуют жидкости, для которых зависимость:

,

неприменима. Такие жидкости представляют собой нечто среднее между пластическими телами и жидкостями и в отличие от обычных нормальных жидкостей называются неньютоновскими или аномальными. К их числу, напри­мер, относятся различного рода суспензии и коллоидные растворы, представляющие собой физически неоднородные тела, состоящие из двух фаз - твердой и жидкой. Как отмечалось выше, в общих курсах гидравлики неньютоновские жидкости не изучаются.

Практически вязкость жидкостей определяют опыт­ным путем при помощи специальных приборов, называ­емых вискозиметрами. Имеется несколько видов виско­зиметров, различных по своей конструкции и принципу действия. Основными из них являются вискозиметры капиллярные, вискозиметры истечения и ротационные.

Широкое распространение получил капиллярный вискозиметр Пинкевича-Оствалъда (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема капиллярного

вискозиметра Пинкевича-Оствальда:

1, 5 - колено U-образной трубки;

2, 3 - полые расширения;

4 – капилляр: а - метка нижняя; в - метка верхняя.

Прибор представляет собой стеклянную U - образную трубку, в одно из колен которой (1) с двумя полыми рас­ширениями (2 и 3) впаян капилляр (4), открывающийся в нижней своей части в другое колено трубки.

По времени опускания мениска жидкости от метки (в) до метки (а) определяют кинематическую вязкость впитываемой жидкости ( ) по формуле:

,

где и - время истечения испытываемой и соответственно стандартной жидкости от метки (а) до метки (в), с;

- кинематическая вязкость стандартной (уже известной) жидкости, м²/с.

Для вискозиметров заводского изготовления кинема­тическую вязкость можно определить из выражения:

,

где К - постоянная вискозиметра (приводится в паспорте прибора).

К вискозиметрам истечения относится вискозиметр Энглера (рис. 2.4), с помощью которого вязкость жидко­сти определяют путем наблюдения за временем истече­ния исследуемой ( ) и стандартной ( ) жидкости из от­верстия в дне сосуда.

Отношение характеризует вязкость жидкости и называется относительной вязкостью. Эта величина выра­жается в так называемых условных градусах Энглера (°Е):

.

Вязкость, измеренная в градусах Энглера, может быть переведена в кинематическую вязкость по формуле Убеллоде:

= 0,0731 * °Е - 0,0631 / °Е ,

где - кинематическая вязкость, Ст.

1 м²/с = 1*10⁴ Ст.

Рис. 2.4. Схема

вискозиметра Энглера:

1 - водяная ванна;

2 - сосуд с исследуемой жидкостью;

3 - стопорный стержень;

4 - термометр;

5 - цилиндрическая трубка;

6 - нагревательный элемент;

7 - расходная емкость.

К ротационным вискозиметрам относятся торсион­ные вискозиметры (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема торсионного вискозиметра:

1 - внутренний цилиндр;

2 - вращающийся цилиндр с испытываемой жидкостью;

3 - торсион (упругая нить – стальная проволока); h - высота столба жидкости.

Ротационные вискозиметры, или вискозиметры с спальными цилиндрами, состоят из двух соосных (1 и 2) вертикальных цилиндров - вращающегося и неподвижного. Между цилиндрами заливается испытуемая жидкость, которая оказывает сопротивление вращению первого цилиндра и передает вращение второму. Вязкость жидкости в этих вискозиметрах определяется по частоте вращения подвижного цилиндра при заданном крутящем моменте или, наоборот, по крутящему моменту, вызыва­ющему заданную частоту вращения.

Для измерения частоты вращения применяют счет­чики, для измерения крутящего момента - различного рода механические динамометры, электродинамические измерительные устройства и др.

Вязкость жидкости определяют по частоте вращения (угловой скорости) внешнего цилиндра n и углу закру­чивания торсиона.