tarcie wewnętrzne. Lepkość lub tarcie wewnętrzne. Siła tarcia lepkiego

Tarcie wewnętrzne w ciałach stałych może być spowodowane kilkoma różnymi mechanizmami i chociaż wszystkie z nich ostatecznie prowadzą do konwersji energii mechanicznej na ciepło,

mechanizmy obejmują dwa różne procesy rozpraszania. Te dwa procesy są z grubsza analogami strat lepkości i strat przewodzenia ciepła podczas propagacji fal dźwiękowych w cieczach.

Pierwszy rodzaj procesu zależy bezpośrednio od niesprężystego zachowania ciała. Jeżeli krzywa naprężenie-odkształcenie dla pojedynczego cyklu oscylacji ma postać pętli histerezy, to obszar zawarty w tej pętli reprezentuje energię mechaniczną, która jest tracona w postaci ciepła. Kiedy próbka przechodzi przez naprężenia „statycznie”, pewna ilość energii jest rozpraszana i ta strata jest częścią specyficznego rozpraszania, gdy próbka wibruje. Jak wykazali Jemant i Jackson, nawet w przypadku, gdy pętla histerezy jest tak wąska, że ​​nie można jej zmierzyć statycznie, ma to istotny wpływ na tłumienie oscylacji, gdyż w eksperymencie na oscylacjach próbka może wykonać dużą liczbę zamknięte cykle histerezy. Strata energii na cykl jest stała, tak że właściwa dyssypacja, a co za tym idzie logarytmiczny dekrement, jest niezależna od częstotliwości. Jemant i Jackson odkryli, że dla wielu materiałów dekrement logarytmiczny jest rzeczywiście stały w dość szerokim zakresie częstotliwości i doszli do wniosku, że główna przyczyna tarcia wewnętrznego w tych przypadkach może być po prostu związana ze „statyczną” nieliniowością naprężenia. zależność odkształcenia materiału. Podobne wyniki uzyskali Wegel i Walter przy wysokich częstotliwościach.

Oprócz histerezy statycznej wiele materiałów wykazuje straty związane ze zmianami prędkości zachodzącymi podczas oscylacji, a siły generujące te straty można uznać za mające lepki charakter. Jak widzieliśmy, obecność takich sił oznacza, że ​​zachowanie mechaniczne zależy od szybkości odkształcania; efekt ten obserwuje się w szczególności w polimerach organicznych o długich łańcuchach molekularnych. Przedmiotem reologii jest głównie ten rodzaj zależności od czasu.

Można wyróżnić dwa rodzaje strat lepkości w ciałach stałych, co jakościowo odpowiada zachowaniu modeli Maxwella i Fochta opisanych w poprzednich akapitach. Tak więc, gdy obciążenie jest utrzymywane na stałym poziomie, może to prowadzić do nieodwracalnej deformacji, jak w modelu Maxwella, lub deformacja może asymptotycznie dążyć do pewnej stałej wartości w czasie i powoli zanikać po usunięciu obciążenia, jak to ma miejsce w modelu Fochta. Ten ostatni rodzaj lepkości jest czasami nazywany lepkością wewnętrzną, a mechaniczne zachowanie takich ciał jest określane jako opóźniona elastyczność.

Interpretacja wpływu lepkości ciał stałych w skali molekularnej nie jest do końca jasna, głównie ze względu na rodzaje procesów mikroskopowych, które prowadzą do rozproszenia mechanicznego

energia w postaci ciepła jest nadal w dużej mierze zgadywaniem. Tobolsky, Powell oraz Ering i Alfrey badali zachowanie lepkosprężyste przy użyciu teorii procesów prędkości. Podejście to zakłada, że ​​każda cząsteczka (lub każde ogniwo łańcucha molekularnego w przypadku polimerów o długich łańcuchach molekularnych) wykonuje drgania termiczne w „studni energetycznej” utworzonej przez jej sąsiadów. W wyniku wahań temperatury od czasu do czasu cząsteczce jest wystarczająco dużo energii, aby opuścić studnię iw obecności sił zewnętrznych następuje dyfuzja, która jest jednakowa we wszystkich kierunkach. Szybkość dyfuzji zależy od prawdopodobieństwa, że ​​cząsteczka otrzyma wystarczającą ilość energii, aby opuścić studnię, a zatem od bezwzględnej temperatury ciała. Jeśli na ciało zostanie przyłożone ciśnienie hydrostatyczne, zmieni się wysokość studni energetycznej, szybkość dyfuzji staje się inna, ale pozostaje taka sama we wszystkich kierunkach. Przy jednoosiowym rozciąganiu wysokość studni w kierunku naprężenia rozciągającego staje się mniejsza niż w kierunku prostopadłym do niego. Dlatego cząsteczki częściej propagują się równolegle do naprężenia rozciągającego niż w kierunku prostopadłym do niego. Przepływ ten prowadzi do przekształcenia nagromadzonej przez ciało energii sprężystości w przypadkowy ruch termiczny, który w skali makroskopowej odbierany jest jako tarcie wewnętrzne. Tam, gdzie cząsteczki poruszają się jako całość, przepływ będzie nieodwracalny, a zachowanie będzie podobne do modelu Maxwella, natomiast w przypadku pomieszania połączeń cząsteczek materiał zachowuje się jak model Fochta i wykazuje opóźnioną elastyczność.

Jeśli przyjmie się pewne założenia dotyczące kształtu studni energii potencjalnej i charakteru drgających w nim grup molekularnych, to można wykazać (Tobolsky, Powell, Ehring, s. 125), że teoria prowadzi do zachowania mechanicznego nadwozia, podobny do opisanego przez sprężynowo-amortyzacyjny omówiony wcześniej w tym rozdziale. W tej interpretacji pytania podkreśla się zależność właściwości lepkosprężystych od temperatury; z tej zależności można wyprowadzić relacje termodynamiczne. Główną wadą stosowania teorii do rzeczywistych ciał w kategoriach ilościowych jest to, że natura studni potencjału dla ciał jest w dużej mierze kwestią przypuszczeń i że często kilka różnych procesów może zachodzić jednocześnie. Niemniej jednak jest to nadal prawie jedyne poważne podejście do molekularnego wyjaśnienia obserwowanych efektów i daje wiarygodną podstawę do dalszego rozwoju.

Straty występują w jednorodnych ciałach niemetalicznych w bardzo podobny sposób, jak opisano powyżej, a tarcie wewnętrzne jest związane raczej z niesprężystym zachowaniem materiału niż z jego makroskopowymi właściwościami termicznymi. W metalach są jednak:

Straty o charakterze cieplnym, które ogólnie rzecz biorąc są bardziej znaczące, a Zener rozważał kilka różnych mechanizmów termicznych prowadzących do rozproszenia energii mechanicznej w postaci ciepła.

Zmianom objętości ciała muszą towarzyszyć zmiany temperatury; Tak więc, gdy ciało się kurczy, jego temperatura wzrasta, a gdy rozszerza się, jego temperatura spada. Dla uproszczenia rozważymy drgania oscylacyjne płyty wspornikowej (stroika). Za każdym razem, gdy język jest zginany, wnętrze się nagrzewa, a na zewnątrz schładza, dzięki czemu istnieje ciągły przepływ ciepła tam iz powrotem po zginanym języku. Jeżeli ruch jest bardzo powolny, to przepływ ciepła jest izotermiczny, a więc odwracalny, a zatem przy bardzo niskich częstotliwościach oscylacji nie powinny wystąpić żadne straty. Jeśli drgania są tak szybkie, że ciepło nie ma czasu przepłynąć przez język, warunki stają się adiabatyczne i nadal nie występują żadne straty. Przy drganiach zginających, których okresy są porównywalne z czasem potrzebnym do przepłynięcia ciepła przez język, następuje nieodwracalna przemiana energii mechanicznej w ciepło, co obserwuje się w postaci tarcia wewnętrznego. Zener wykazał, że dla oscylującego języka rozproszenie właściwe jest podane przez

oraz - adiabatyczne i izotermiczne wartości modułu Younga materiału, - częstotliwość drgań, - częstotliwość relaksacji, która dla języka o przekroju prostokątnym ma wyrażenie

tutaj K - przewodność cieplna, ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, gęstość, grubość języka w płaszczyźnie drgań.

Bennewitz i Rötger zmierzyli tarcie wewnętrzne w niemieckich srebrnych trzcinach podczas drgań poprzecznych. Wyniki ich eksperymentów przedstawiono na ryc. 29 wraz z krzywą teoretyczną uzyskaną z równania (5,60). Do konstrukcji tej krzywej nie użyto żadnych arbitralnych parametrów, a zgodność między teorią a eksperymentem jest wyjątkowo dobra. Widać wyraźnie, że w zakresie częstotliwości (około 10 Hz) przewodnictwo cieplne w języku jest główną przyczyną tarcia wewnętrznego. Widać również, że przy częstotliwościach odległych od eksperymentalnych wartości tarcia wewnętrznego są wyższe niż przewidywane przez teorię, co wskazuje, że inne wpływy stają się tutaj relatywnie ważniejsze. Naprężenie podłużne będzie

generują podobne efekty, ponieważ część próbki jest ściskana, a druga rozciągana, w którym to przypadku strumień ciepła jest równoległy do ​​kierunku propagacji. Ponieważ odległość między obszarami kompresji i rozrzedzenia w tym przypadku jest równa połowie długości fali, straty spowodowane tą przyczyną będą małe przy zwykłych częstotliwościach.

Figa. 29. Porównanie wartości tarcia wewnętrznego dla niemieckich srebrników z drganiami poprzecznymi, zmierzonych przez Bennewitza i Rötgera i uzyskanych z teoretycznych zależności Zenera.

Opisany rodzaj utraty ciepła ma miejsce niezależnie od tego, czy ciało jest jednorodne, czy nie. Jeśli materiał jest niejednorodny, istnieją dodatkowe mechanizmy prowadzące do utraty ciepła. Zatem w materiale polikrystalicznym sąsiednie ziarna mogą mieć różne kierunki krystalograficzne w stosunku do kierunku odkształcenia i w rezultacie otrzymywać naprężenia o różnych wielkościach podczas odkształcania próbki. W związku z tym temperatura zmieni się z krystalitu na krystalit, w wyniku czego wystąpią najmniejsze strumienie ciepła przez granice ziaren. Podobnie jak w przypadku strat spowodowanych przewodnictwem cieplnym podczas drgań wspornika, istnieje dolna granica częstotliwości, gdy odkształcenia postępują tak wolno, że zmiany objętości zachodzą izotermicznie bez utraty energii, a także górna granica częstotliwości, gdy odkształcenia przebiegają adiabatycznie, a więc znowu nie występują żadne straty. Największa strata występuje, gdy zastosowana częstotliwość uderza

między tymi dwoma granicami; wartość tej częstotliwości zależy od wielkości ziarna kryształu i przewodności cieplnej ośrodka. Zener wyprowadził wyrażenie określające częstotliwość, przy której tego rodzaju straty są maksymalne. To równanie jest podobne do (5.61) i ma postać

gdzie a jest średnią liniową wielkością ziarna.

Randal, Rose i Zener zmierzyli tarcie wewnętrzne w próbkach mosiężnych o różnej wielkości ziarna i stwierdzili, że przy stosowanych częstotliwościach maksymalne tłumienie występowało, gdy wielkość ziarna była bardzo zbliżona do wartości podanej w równaniu (5.62). Wielkość tarcia wewnętrznego wywołanego przez te mikroskopijne strumienie ciepła zależy od rodzaju struktury krystalicznej, a także od wielkości ziarna i wzrasta wraz ze wzrostem anizotropii sprężystej poszczególnych krystalitów. Zener (s. 89-90) zasugerował, że przy bardzo wysokich częstotliwościach strumień ciepła jest prawie całkowicie ograniczony do bezpośredniego sąsiedztwa granicy ziaren; prowadzi to do zależności, zgodnie z którą rozproszenie właściwe jest proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego częstotliwości drgań. Ten wynik został potwierdzony eksperymentalnie dla mosiądzu przez Randala, Rose i Zenera. Z drugiej strony przy bardzo niskich częstotliwościach przepływ ciepła występuje w całym materiale; stąd otrzymuje się zależność, zgodnie z którą tarcie wewnętrzne jest proporcjonalne do pierwszej potęgi częstotliwości. Wyniki eksperymentalne Zenera i Randala są zgodne z tym wnioskiem.

Należy wspomnieć o dwóch innych rodzajach strat ciepła. Pierwsza związana jest z odprowadzaniem ciepła do otaczającego powietrza; tempo strat z tego powodu jest jednak tak małe, że wpływa tylko na bardzo niskie częstotliwości oscylacji. Inny rodzaj strat może powstać z powodu braku równowagi termicznej między normalnymi trybami Debye'a; straty te są podobne do tłumienia ultradźwięków w gazach, spowodowanego skończonym czasem potrzebnym na redystrybucję energii cieplnej między różnymi stopniami swobody cząsteczek gazu. Jednak w ciałach stałych równowaga pomiędzy różnymi trybami drgań ustala się tak szybko, że tarcie wewnętrzne wywołane taką przyczyną może być zauważalne dopiero przy częstotliwościach rzędu 1000 MHz. Opisaną powyżej teorię zjawiska rozważali Landau i Rumer, a później Gurevich.

W przypadku metali polikrystalicznych badał tarcie wewnętrzne spowodowane „lepkim poślizgiem” na granicach kryształów. Przeprowadził eksperymenty z tłumieniem drgań skrętnych w czystym aluminium i wykazał, że tarcie wewnętrzne w tym przypadku

można obliczyć dokładnie zakładając, że metal na granicach kryształów zachowuje się w sposób lepki.

W ciałach krystalicznych podczas ich deformacji zachodzą jeszcze dwa inne procesy, które mogą prowadzić do tarcia wewnętrznego. Pierwszym z nich jest ruch w kryształach obszarów nieuporządkowanych, które nazywane są dyslokacjami. Drugim procesem jest uporządkowanie rozpuszczonych atomów po przyłożeniu napięcia; to ostatnie ma miejsce w przypadkach, gdy w sieci krystalicznej znajdują się zanieczyszczenia. Rolę dyslokacji w deformacji plastycznej kryształów po raz pierwszy rozważali Oroven, Palaney i Taylor i chociaż wydaje się prawdopodobne, że ruch tych dyslokacji może często być istotną przyczyną tarcia wewnętrznego, zwłaszcza przy dużych deformacjach, dokładny mechanizm która energia sprężystości jest rozpraszana, nie została jeszcze wyjaśniona (patrz Bradfield). Wpływ na wewnętrzne tarcie zanieczyszczeń rozpuszczonych w sieci krystalicznej rozważał najpierw Gorsky, a później Snoek. Powodem, dla którego obecność takich rozpuszczonych atomów prowadzi do tarcia wewnętrznego, jest to, że ich rozkład równowagi w krysztale naprężonym różni się od rozkładu równowagi, gdy kryształ nie jest naprężony. Po przyłożeniu naprężenia ustanowienie nowej równowagi wymaga czasu, tak że odkształcenie pozostaje w tyle za naprężeniem. Wprowadza to proces relaksacji, który odgrywa ważną rolę w przypadku naprężeń oscylacyjnych, których okres jest porównywalny z czasem relaksacji. Szybkość, z jaką ustala się równowaga, zależy w bardzo dużym stopniu od temperatury, tak więc ten rodzaj tarcia wewnętrznego musi być bardzo wrażliwy na temperaturę.

Szczególny przypadek tarcia wewnętrznego stwierdzono w materiałach ferromagnetycznych. Becker i Döring dokonali wyczerpującego przeglądu badań eksperymentalnych i teoretycznych dla tego typu materiałów dotyczących ważnego dla zastosowań problemu efektu magnetostrykcyjnego we wzbudzeniu ultradźwięków. Stwierdzono, że tarcie wewnętrzne w materiałach ferromagnetycznych jest znacznie większe niż w innych metalach i wzrasta wraz z ich namagnesowaniem; wzrasta również gwałtownie wraz ze wzrostem temperatury, gdy zostanie osiągnięty punkt Curie.

Mechanizmem, który osłabia fale naprężeń w ciałach stałych, ale ściśle mówiąc nie jest tarciem wewnętrznym, jest rozpraszanie. Zjawisko to występuje w metalach polikrystalicznych, gdy długość fali staje się porównywalna z wielkością ziarna; Meson i McSkimin zmierzyli efekt rozpraszania w aluminiowych prętach i wykazali, że gdy długość fali jest porównywalna z wielkością ziarna, tłumienie jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. Zależność ta pokrywa się z podaną przez Rayleigha (t. II, s. 194) dla rozpraszania dźwięku w gazach.

Współczynnik lepkości .

Lepkość jest jednym z najważniejszych zjawisk obserwowanych podczas ruchu płynu rzeczywistego.

Wszystkie rzeczywiste ciecze (i gazy) mają pewien stopień lepkości lub tarcia wewnętrznego. Kiedy prawdziwy płyn przepływa między jego warstwami, powstają siły tarcia. Siły te nazywane są siłami tarcia wewnętrznego lub lepkości.

Lepkość to tarcie między warstwami cieczy (lub gazu) poruszającymi się względem siebie.

Siły lepkości (tarcie wewnętrzne) są skierowane stycznie na stykające się ze sobą warstwy płynu i przeciwstawiają się ruchowi tych warstw względem siebie. Spowalniają warstwę z większą prędkością i przyspieszają wolniejszą warstwę. Istnieją dwa główne powody lepkości:

Po pierwsze, siły oddziaływania między cząsteczkami sąsiednich warstw poruszających się z różnymi prędkościami;

Po drugie, przejście cząsteczek z warstwy na warstwę i związany z tym transfer pędu.

Z tych powodów warstwy oddziałują ze sobą, wolna warstwa przyspiesza, szybka zwalnia. W cieczach pierwsza przyczyna jest bardziej wyraźna, w gazach druga.

Aby wyjaśnić wzorce, którym podlegają siły tarcia wewnętrznego, rozważ następujący eksperyment. Weźmy dwie poziome płytki z warstwą cieczy między nimi (ryc. 9). Wprawmy górną płytę w ruch ze stałą prędkością . Aby to zrobić, na płytkę należy przyłożyć siłę
przezwyciężyć siłę tarcia
działając na płytkę, gdy porusza się ona w płynie. Warstwa cieczy sąsiadująca bezpośrednio z płytą górną przykleja się do płytki w wyniku zwilżania i przesuwa się wraz z nią. Przylegająca do dolnej płyty warstwa cieczy jest utrzymywana razem z nią w spoczynku,
. Warstwy pośrednie poruszają się w taki sposób, że każda górna ma większą prędkość niż ta leżąca pod nią. Strzałki na rys. 9 pokazują „profil prędkości” przepływu. Wzdłuż osi r prostopadłej do wektora , prędkość wzrasta. Pomiar prędkości charakteryzuje się wartością .

Wartość pokazuje, jaki jest pomiar prędkości na jednostkę długości wzdłuż kierunku zmiany prędkości, tj. określa szybkość zmian prędkości i kierunku prostopadłego do samej prędkości. Od tej wartości zależy tarcie między warstwami. Wartość mierzone w
.

Newton stwierdził, że siła tarcia między dwiema warstwami cieczy jest wprost proporcjonalna do obszaru kontaktu między warstwami. i rozmiar :

. (13)

Wzór (13) nazywa się wzorem Newtona na tarcie lepkie. Współczynnik proporcjonalności zwany współczynnikiem lepkości (tarcie wewnętrzne). Z (13) widać, że

W systemie
jednostką miary współczynnika lepkości jest

(paskal - sekunda),

w systemie CGS - współczynnik lepkości mierzony jest w
(równowaga) i

Ciecze, dla których spełniony jest wzór Newtona (13), nazywamy Newtona. Dla takich cieczy współczynnik lepkości zależy tylko od temperatury. Od płynów biologicznych do płynów newtonowskich można przypisać osocze krwi, limfę. Dla wielu rzeczywistych cieczy zależność (13) nie jest ściśle spełniona. Takie płyny nazywają się nienewtonowski. Dla nich współczynnik lepkości zależy od temperatury, ciśnienia i wielu innych wielkości. Płyny te obejmują płyny z dużymi, złożonymi cząsteczkami, takie jak krew pełna.

Lepkość krwi zdrowej osoby
, z wahaniami patologii, co wpływa na szybkość sedymentacji erytrocytów. Lepkość krwi żylnej jest większa niż krwi tętniczej.

Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwością rzeczywistych cieczy jest opieranie się ruchowi jednej części cieczy względem drugiej. Gdy jedne warstwy płynu rzeczywistego poruszają się względem innych, powstają siły tarcia wewnętrznego, skierowane stycznie do powierzchni warstw. Działanie tych sił objawia się tym, że od strony warstwy poruszającej się szybciej na warstwę poruszającą się wolniej działa siła przyspieszenia. Od strony warstwy poruszającej się wolniej, na poruszającą się szybciej działa siła opóźniająca.

Siła tarcia wewnętrznego F im większa, tym większa powierzchnia rozpatrywanej warstwy S (rys. 52) i zależy od tego, jak szybko zmienia się prędkość przepływu płynu podczas przechodzenia z warstwy do warstwy.

Rysunek przedstawia dwie warstwy oddalone od siebie w odległości x i poruszające się z prędkościami v 1 i v 2 W tym samym czasie v 1 -v 2 = v. Kierunek, w którym liczona jest odległość między warstwami, prostopadły szybkości przepływu warstw. Wartość v/x pokazuje, jak szybko zmienia się prędkość podczas przechodzenia od warstwy do warstwy w kierunku X, prostopadle do kierunku ruchu warstw i nazywa się gradient prędkości. Zatem moduł siły tarcia wewnętrznego

gdzie jest współczynnik proporcjonalności  , w zależności od charakteru cieczy nazywa się lepkość dynamiczna(lub po prostu lepkość).

Jednostką lepkości jest pascal sekunda (Pa s): 1 Pa s jest równa lepkości dynamicznej ośrodka, w którym przy przepływie laminarnym i gradiencie prędkości z modułem równym 1 m / s na 1 m wewnętrzny siła tarcia 1 N na 1 m2 powierzchni powstaje w kontakcie z warstwami (1 Pa s \u003d 1 N s / m 2).

Im większa lepkość, tym bardziej ciecz różni się od idealnej, tym większe są w niej siły tarcia wewnętrznego. Lepkość zależy od temperatury, a charakter tej zależności dla cieczy i gazów jest inny (dla cieczy m] maleje wraz ze wzrostem temperatury, dla gazów przeciwnie, wzrasta), co wskazuje na różnicę w nich

mechanizmy tarcia wewnętrznego. Lepkość olejów jest szczególnie zależna od temperatury. Na przykład lepkość oleju rycynowego w zakresie 18-40 ° Z spada cztery razy. Radziecki fizyk P. L. Kapitsa (1894-1984; Nagroda Nobla 1978) odkrył, że w temperaturze 2,17 K ciekły hel przechodzi do stanu nadciekłego, w którym jego lepkość wynosi zero.

Istnieją dwa tryby przepływu płynu. Prąd nazywa się laminarny (warstwowy), jeśli wzdłuż przepływu każda wybrana cienka warstwa ślizga się względem swoich sąsiadów bez mieszania się z nimi, i burzliwy (wir), jeśli wzdłuż przepływu zachodzi intensywne tworzenie się wirów i mieszanie cieczy (gazów).

Przepływ laminarny cieczy obserwuje się przy małych prędkościach jej ruchu. Zewnętrzna warstwa cieczy przylegająca do powierzchni rury, w której płynie, dzięki siłom kohezji molekularnej przykleja się do niej i pozostaje nieruchoma. Prędkości kolejnych warstw są tym większe, im większa jest ich odległość od powierzchni rury, a warstwa poruszająca się wzdłuż osi rury ma największą prędkość.

W przepływie turbulentnym cząstki płynu uzyskują składowe prędkości prostopadłe do przepływu, dzięki czemu mogą przemieszczać się z jednej warstwy do drugiej. Prędkość cząstek cieczy gwałtownie wzrasta, gdy oddalają się od powierzchni rury, a następnie zmienia się dość nieznacznie. Ponieważ cząsteczki cieczy przechodzą z jednej warstwy do drugiej, ich prędkości w różnych warstwach niewiele się różnią. Ze względu na duży gradient

prędkości, wiry zwykle tworzą się w pobliżu powierzchni rury.

Profil średniej prędkości dla przepływu turbulentnego w rurach (rys. 53) różni się od profilu parabolicznego dla przepływu laminarnego szybszym wzrostem prędkości w pobliżu ścianek rur i mniejszą krzywizną w środkowej części przepływu.

Angielski naukowiec O. Reynolds (1842-1912) w 1883 ustalił, że charakter przepływu zależy od bezwymiarowej wielkości zwanej Numer Reynoldsa:

gdzie v = / - lepkość kinematyczna;

 - gęstość cieczy; (v) prędkość płynu uśredniona w przekroju rury; d- charakterystyczny wymiar liniowy, taki jak średnica rury.

Przy niskich wartościach liczby Reynoldsa (Re1000) obserwuje się przepływ laminarny, przejście od przepływu laminarnego do turbulentnego następuje w rejonie 1000: Re2000, a przy Re = 2300 (dla rur gładkich) przepływ jest burzliwy. Jeśli liczba Reynoldsa jest taka sama, to reżim przepływu różnych cieczy (gazów) w rurach o różnych przekrojach jest taki sam.

) energia mechaniczna przekazywana ciału podczas jego deformacji. Tarcie wewnętrzne przejawia się na przykład tłumieniem drgań swobodnych. W cieczach i gazach proces ten jest powszechnie nazywany lepkością. Tarcie wewnętrzne w ciałach stałych związane jest z dwiema różnymi grupami zjawisk - niesprężystością i odkształceniem plastycznym.

Niesprężystość to odchylenie od właściwości sprężystości, gdy ciało jest odkształcone w warunkach, w których praktycznie nie występują odkształcenia szczątkowe. Podczas deformacji ze skończoną prędkością w ciele występuje odchylenie od równowagi termicznej. Na przykład przy zginaniu równomiernie nagrzanej cienkiej płyty, której materiał rozszerza się po podgrzaniu, rozciągnięte włókna ostygną, sprasowane włókna nagrzeją się, w wyniku czego nastąpi poprzeczny spadek temperatury, czyli odkształcenie sprężyste spowoduje naruszenie równowagi termicznej. Późniejsze wyrównywanie temperatury przez przewodnictwo cieplne jest procesem, któremu towarzyszy nieodwracalne przejście części energii sprężystości w energię cieplną. Wyjaśnia to zaobserwowane eksperymentalnie tłumienie drgań swobodnych zginających płyty – tzw. efekt termosprężysty. Ten proces przywracania zaburzonej równowagi nazywa się relaksacją.

Podczas sprężystego odkształcenia stopu o równomiernym rozkładzie atomów różnych składników może wystąpić redystrybucja atomów w substancji ze względu na różnicę ich rozmiarów. Przywrócenie równowagi rozkładu atomów przez dyfuzję jest również procesem relaksacji. Manifestacje właściwości nieelastycznych lub relaksacyjnych mają również wpływ na elastyczność w czystych metalach i stopach, histerezę sprężystą.

Odkształcenie zachodzące w ciele sprężystym zależy nie tylko od przyłożonych do niego zewnętrznych sił mechanicznych, ale także od temperatury ciała, jego składu chemicznego, zewnętrznych pól magnetycznych i elektrycznych (magnetostrykcji i elektrostrykcji) oraz wielkości ziarna. Prowadzi to do różnych zjawisk relaksacyjnych, z których każdy przyczynia się do tarcia wewnętrznego. Jeżeli w ciele zachodzi jednocześnie kilka procesów relaksacji, z których każdy może charakteryzować się własnym czasem relaksacji, to suma wszystkich czasów relaksacji poszczególnych procesów relaksacji tworzy tzw. spektrum relaksacji danego materiału; każda strukturalna zmiana w próbce zmienia widmo relaksacji.

Jako metody pomiaru tarcia wewnętrznego stosuje się: badanie tłumienia drgań swobodnych (wzdłużne, poprzeczne, skrętne, zginające); badanie krzywej rezonansowej dla oscylacji wymuszonych; względne rozproszenie energii sprężystości w jednym okresie oscylacji. Badanie tarcia wewnętrznego ciał stałych jest dziedziną fizyki ciała stałego, źródłem informacji o procesach zachodzących w ciałach stałych, w szczególności w czystych metalach i stopach poddawanych obróbce mechanicznej i cieplnej.
Jeżeli siły działające na ciało stałe przekraczają granicę sprężystości i następuje płynięcie plastyczne, to możemy mówić o quasi-lepkim oporze przepływu (analogicznie do płynu lepkiego). Mechanizm tarcia wewnętrznego podczas odkształcenia plastycznego różni się znacznie od mechanizmu tarcia wewnętrznego podczas niesprężystości. Różnica w mechanizmach rozpraszania energii determinuje różnicę wartości lepkości, które różnią się o 5-7 rzędów wielkości. Wraz ze wzrostem amplitudy oscylacji sprężystych ścinanie plastyczne zaczyna odgrywać ważną rolę w tłumieniu tych oscylacji, lepkość wzrasta, zbliżając się do wartości lepkości plastycznej.

Płyn idealny, czyli płyn poruszający się bez tarcia jest pojęciem abstrakcyjnym. Wszystkie rzeczywiste ciecze i gazy, w większym lub mniejszym stopniu, mają lepkość lub tarcie wewnętrzne. Lepkość (tarcie wewnętrzne) wraz z dyfuzją i przewodnością cieplną odnosi się do zjawisk przenoszenia i jest obserwowana tylko w poruszających się cieczach i gazach. Lepkość objawia się tym, że ruch zachodzący w cieczy lub gazie po ustaniu przyczyn, które go spowodowały, stopniowo się zatrzymuje.

Lepkość(tarcie wewnętrzne) - jedno ze zjawisk przenoszenia, właściwość ciał płynnych (cieczy i gazów) do opierania się ruchowi jednej z ich części względem drugiej. W rezultacie energia zużyta na ten ruch jest rozpraszana w postaci ciepła.

Mechanizm tarcia wewnętrznego w cieczach i gazach polega na tym, że losowo poruszające się cząsteczki nieść pęd z jednej warstwy na drugą, co prowadzi do wyrównania prędkości – opisuje to wprowadzenie siły tarcia. Lepkość ciał stałych ma szereg specyficznych cech i zwykle jest rozpatrywana oddzielnie.

W cieczach, gdzie odległości między cząsteczkami są znacznie mniejsze niż w gazach, lepkość wynika przede wszystkim z oddziaływań międzycząsteczkowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek. W cieczy cząsteczka może przeniknąć do sąsiedniej warstwy tylko wtedy, gdy utworzy się w niej wnęka wystarczająca, aby cząsteczka tam wskoczyła. Tak zwana energia aktywacji lepkiego przepływu jest zużywana na tworzenie wnęki (na „rozluźnienie” cieczy). Energia aktywacji maleje wraz ze wzrostem temperatury i spadkiem ciśnienia. Jest to jedna z przyczyn gwałtownego spadku lepkości cieczy wraz ze wzrostem temperatury i jej wzrostu przy wysokich ciśnieniach. Wraz ze wzrostem ciśnienia do kilku tysięcy atmosfer lepkość wzrasta dziesiątki i setki razy. Rygorystyczna teoria lepkości cieczy, ze względu na niedostateczny rozwój teorii stanu ciekłego, nie została jeszcze stworzona.

Lepkość poszczególnych klas cieczy i roztworów zależy od temperatury, ciśnienia i składu chemicznego.

Lepkość cieczy zależy od budowy chemicznej ich cząsteczek. W szeregu podobnych związków chemicznych (węglowodory nasycone, alkohole, kwasy organiczne itp.) lepkość zmienia się regularnie - wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Wysoka lepkość olejów smarowych wynika z obecności cykli w ich cząsteczkach. Dwie ciecze o różnych lepkościach, które nie reagują ze sobą po zmieszaniu, mają średnią lepkość w mieszaninie. Jeżeli jednak podczas mieszania powstaje związek chemiczny, to lepkość mieszaniny może być kilkadziesiąt razy większa niż lepkość cieczy wyjściowych.

Pojawienie się w cieczach (układach zdyspergowanych lub roztworach polimerów) struktur przestrzennych powstałych w wyniku adhezji cząstek lub makrocząsteczek powoduje gwałtowny wzrost lepkości. Kiedy płynie „ustrukturyzowany” płyn, praca siły zewnętrznej jest zużywana nie tylko na pokonanie lepkości, ale także na zniszczenie struktury.

W gazach odległości między cząsteczkami są znacznie większe niż promień działania sił molekularnych, dlatego lepkość gazów zależy głównie od ruchu cząsteczek. Pomiędzy warstwami gazu poruszającymi się względem siebie zachodzi ciągła wymiana cząsteczek z powodu ich ciągłego chaotycznego (termicznego) ruchu. Przechodzenie cząsteczek z jednej warstwy do drugiej, poruszające się z różną prędkością, prowadzi do przejścia z warstwy na warstwę o określonym pędzie. W rezultacie wolniejsze warstwy przyspieszają, a szybsze warstwy spowalniają. Praca siły zewnętrznej F, który równoważy opór lepkości i utrzymuje stały przepływ, całkowicie zamienia się w ciepło. Lepkość gazu nie zależy od jego gęstości (ciśnienia), ponieważ gdy gaz jest sprężony, całkowita liczba cząsteczek przechodzących z warstwy na warstwę wzrasta, ale z drugiej strony każda cząsteczka wnika głębiej w sąsiednią warstwę i przenosi mniejszy pęd (prawo Maxwella).

Lepkość jest ważną właściwością fizyczną i chemiczną substancji. Przy pompowaniu cieczy i gazów rurociągami (rurociągi, gazociągi) należy uwzględnić wartość lepkości. Lepkość stopionego żużla ma bardzo duże znaczenie w procesach wielkopiecowych i martenowskich. Lepkość stopionego szkła determinuje sposób jego wykonania. W wielu przypadkach lepkość służy do oceny gotowości lub jakości produktów lub półproduktów do produkcji, ponieważ lepkość jest ściśle związana ze strukturą substancji i odzwierciedla te zmiany fizyczne i chemiczne w materiale, które zachodzą podczas procesów technologicznych. Lepkość olejów ma ogromne znaczenie przy obliczaniu smarowania maszyn i mechanizmów itp.

Urządzenie do pomiaru lepkości nazywa się wiskozymetr.