Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 9.13. Течение вязкой жидкости

• Если при движении жидкости (или газа) существенным оказывается трение, то вся теория чрезвычайно усложняется. Мы приведем лишь простые факты о влиянии вязкости жидкости на ее течение.

При движении жидкости, например в трубе, реке, скорости различных слоев неодинаковы. У краев трубы или у берегов и дна реки скорость меньше, чем в середине.

На рисунке 9.49 приведена диаграмма распределения скорости по сечению трубы: скорость слоев меняется от нуля (у стенок трубы) до некоторого максимального значения (в середине трубы или реки). Этот факт отмечен даже в былине о Добрыне Никитиче, где говорится: средняя «струйка как огонь сечет». Обусловлен он силами трения.

Рис. 9.49

Для наблюдения сил трения в жидкостях можно проделать следующий опыт. Если вертикальный цилиндрический сосуд, наполненный жидкостью, привести в равномерное вращение вокруг своей оси, то жидкость постепенно приходит во вращение. Для улучшения условий наблюдения на поверхность жидкости надо равномерно набросать маленькие кусочки пробки. Сначала начинают вращаться слои жидкости, прилегающие к стенкам сосуда. Затем вращение передается внутренним слоям. Таким образом, происходит передача вращения от сосуда к жидкости, а также от наружных слоев жидкости к внутренним. Такая передача не была бы возможной, если бы не существовало касательных сил, действующих между жидкостью и стенкой сосуда, а также между слоями самой жидкости, т. е. если бы жидкость была идеальной.

Вследствие различия скоростей между слоями жидкости возникает внутреннее трение. Оно тем больше, чем больше изменение скорости от слоя к слою. Таким образом, при течении реальных жидкостей, кроме сил нормального давления, на границах движущихся элементов жидкости возникают еще касательные силы внутреннего трения, или силы вязкости.

Наличие сил трения в жидкостях приводит к тому, что течение жидкости по трубе постоянного сечения возможно лишь при наличии перепада давления на входе и выходе трубы. Этот перепад давления необходим для поддержания стационарного течения, чтобы уравновешивать силы трения.

По закону Бернулли при стационарном течении жидкости по трубе постоянного сечения давление во всех точках жидкости одинаково. В действительности же давление в трубе падает в направлении ее течения по линейному закону.

Убедиться в этом можно на опыте. Поставим вдоль трубы, расположенной горизонтально, манометрические трубки. Заметим, что при отсутствии течения высота жидкости в трубках одинакова. При течении жидкости распределение уровней в трубках становится неодинаковым (рис. 9.50).

Рис. 9.50

Из-за вязкости давление в жидкости уменьшается вдоль потока даже в горизонтально расположенной трубе постоянного сечения.