 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Основные понятия гидродинамики.. Гидродинамикой называют раздел физики, в котором изучают вопросы движения несжимаемых жидкостей и взаимодействие их при этом с окружающими твердыми телами. Идеальной называется жидкость несжимаемая и не имеющая вязкости. Течение жидкости условно изображают линиями тока - воображаемыми линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора скорости частиц, а их густота пропорциональна значению скорости. Установившимся или стационарным называется течение, при котором скорости частиц в каждой точке потока со временем не изменяются (при этом условии линии тока совпадают с траекториями частиц жидкости). Через любое сечение струи в единицу времени протекают одинаковые объёмы несжимаемой жидкости, равные произведению площади сечения на скорость:S1V1=S2V2, или SV=const, где S - поперечное сечение струи, V - модуль скорости течения жидкости в любой точке выбранного сечения струи. Уравнение выражает условие неразрывности струи, так как только при сплошном течении через любое сечение за одно и то же время проходит одинаковое количество жидкости. Гемодинамика –раздел физиологии кровообращения, использующий законы гидродинамики для исследования причин, условий и механизмов движения крови в сердечно-сосудистой системе. Гемодинамика одновременно является и областью биофизики кровообращения, которая рассматривает все физические явления и процессы, происходящие в системе кровообращения.
Уравнение Бернулли. Рассмотрим трубку тока малого сечения (рис. 1). Жидкость, выделенного объема, переместится из положении 1 в положение 2. Так как течение стационарное, то никаких энергетических изменений с жидкостью не произойдёт. Изменение энергии жидкости при перемещении объёма от положения 1 к 2 равно работе, которую необходимо совершить над жидкостью для перемещения выделенного объёма из положения 1 в положение 2. Считая объёмы цилиндрическими, можно записать:V=S1l1=S2l2 Если скорость жидкости в пределах каждого заштрихованного объёма одинакова (равна v1 и v2 для положений 1 и 2 соответственно), то изменение кинетической энергии жидкости равно, так как m=rS1l1=rS2l2, где r - плотность жидкости.
Вычислим работу внешних сил, действующих на жидкость. Силы со стороны соседних трубок тока нормальны к поверхности рассматриваемой трубки и работы не совершают. Работа сил, оказывающих давления р1 и р2 на торцы объёма 1 - 2 при его перемещении: AР = F1 l1 - F2 l2 = p1S1 l1 - p2S2 l2. Схема трубки тока жидкости для вывода формулы Бернулли.
Работа силы тяжести:АТ = mgh1 - mgh2 = rS1 l1gh1 - rS2 l2gh2. Согласно закону сохранения энергии DEk= AР+ АТ, (rS2l2V22 - rS1l1V12) = p1S1l1 - p2S2l2 + rS1l1gh1 - rS2l2gh2 откуда сокращая на S1l1 = S2l2 и перегруппировывая слагаемые, имеем:
Так как выбор сечения трубки произволен, то индексы можно опустить:
Слагаемые, входящие в уравнение Бернулли имеют размерность и смысл давления. Давление р называют статическим; оно не связано с движением жидкости и может быть измерено, например, манометром, перемещающимся вместе с жидкостью. Давление называют динамическим; оно обусловлено движением жидкости и проявляется при ее торможении. Сумма статического и динамического давлений есть полное давление: рП = р +. Давление rgh - весовое. В состоянии невесомости весовое давление отсутствует, с увеличением перегрузок оно возрастает.В различных точках линии тока идеальной жидкости сумма статического, динамического и весового давлений одинакова.
Внутреннее трение (вязкость) жидкости. Формула Ньютона. При течении реальной жидкости между слоями, перемещающимися с различной скоростью, возникают силы внутреннего трения (вязкости). Эти силы, касательные к слоям, направлены так, что ускоряют медленно движущиеся слои и замедляют быстро движущиеся. Рассмотрим ламинарный поток вязкой жидкости по горизонтальному руслу.
Слой, “прилипший” ко дну неподвижен. По мере удаления от дна скорость жидкости увеличивается. Максимальная скорость жидкости будет у слоя, который граничит с воздухом. Сила внутреннего трения пропорциональна площади взаимодействующих слоев S и тем больше, чем больше их относительная скорость. Так как разделение на слои условно, то принято выражать силу в зависимости от изменения скорости, приходящегося на единицу длины в направлении, перпендикулярном скорости, то есть от величины Fтр = Здесь h - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения, или динамической вязкостью. Вязкость зависит от химического состава, примесей и температуры. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается по закону: где коэффициент А постоянен для каждой жидкости.
Единицей измерения h в “СИ” является Н× сек / м2 , =Па × с, 1Па× с = 10П = 103 сП; в СГС - дин × сек/см2 , эта единица называется пуазом. 1 пз = 0,1 м × сек/м2. Величина, где r-плотность жидкости, называется кинематической вязкостью. Относительной вязкостью называется величина, равная
где h- вязкость исследуемой жидкости, h0- вязкость стандартной жидкости. Величина, обратная коэффициенту вязкости, называется текучестью. Для растворов вязкость увеличивается с повышением концентрации растворенного вещества. При изучении свойств растворов иногда вводят характеристическую вязкость.
где с – концентрация растворенного вещества, hотн – относительная вязкость раствора по отношению к вязкости растворителя. Характеристическая вязкость не зависит от концентрации растворенного вещества, но связана с важными параметрами, такими как молекулярная масса, форма молекул и т. д. Связь между характеристической вязкостью и молекулярной массой М выражается с помощью обобщенного уравнения Штаудингера:
Ньютоновские и неньютоновские жидкости. У большинства жидкостей (вода, низкомолекулярные органические соединения, истинные растворы, расплавленные металлы и их соли) коэффициент вязкости зависит только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими и силы внутреннего трения, возникающие в них, подчиняются закону Ньютона. У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (например, растворы полимеров) или представляющих дисперсионные системы (суспензии и эмульсии), h зависит также от режима течения - давления и градиента скорости. При их увеличении вязкость жидкости уменьшается вследствие нарушения внутренней структуры потока жидкости. Их вязкость характеризуют так называемым условным коэффициентом вязкости, который относится к определенным условиям течения жидкости (давление, скорость). Такие жидкости называются структурно вязкими или неньютоновскими.
Поиск по сайту: |
,
. - это уравнение Бернулли.
, называемой градиентом скорости (grad V):
- это уравнение Ньютона.
.
где К – константа, характерная для данного гомологического ряда макромолекул, a- величина, характеризующая степень свертывания макромолекул в растворе. Эти величины при расчете берут из таблиц.