粘度是什么意思?当我们讨论粘度的时候。我们通常指“流体的厚度”。例如,水的粘度很低,而油的粘度很高。然而,当我们处理不同密度的流体时,这样的定义可能并不准确。因此,正确的定义应该是“粘度是流体对流动阻力的度量”。它描述了流动流体的内摩擦。高粘度流体的分子组成使它有很大的内摩擦,因此它不运动。低粘度的流体很容易流动,因为它的分子组成在运动时摩擦很小。
在分子水平上,粘度是流体中不同分子相互作用的结果。这也可以理解为流体中分子之间的摩擦。就像移动的固体之间的摩擦一样,粘度将决定使流体流动所需的能量。
粘度类似于流体摩擦。当一个固体在另一个固体上滑动时,就会产生摩擦。所以其他物质,比如液体,也有这样的摩擦作用是很自然的。较粘稠的流体比较粘稠的流体更能抵抗变形。
粘度是最重要的概念之一。我们的飞机、宇宙飞船、汽车甚至是高尔夫球,都由于粘度的影响而面临阻力或摩擦。如果没有这些,我们的生活就会改变很多。从很多方面来说,这些影响是不好的影响,但有时这些也是非常重要的。粘度是制约航空航天应用发展的主要因素之一,因为粘度会引起大量的能量耗散。它可以随温度变化。
其发生的主要原因与分子间力有关。流体颗粒之间的化学键被认为是造成这一现象的原因。当化学键变弱时,加热流体通常会降低其粘度。
2012年伦敦夏季奥运会期间,美国仰泳运动员泰勒•克拉里的一张高速照片在网上广为流传。
许多新闻来源声称,这是水的表面张力的一个例证(见:“美国游泳者的难以置信的照片,完美地显示了表面张力的现象”)。它不是。这里展示的是水的粘度。
当我们研究流体时,我把这张照片给我的力学学生看。首先要指出的是,游泳者是从下面露出水面的。如果水是一种理想的流体。然后,游泳者身上的水就会立刻流走,而他高于泳池水面的部分就会变干。因此,约翰·冯·诺依曼把理想流体称为“干水”。
与理想流体相反,实际流体的粘度为非零。这意味着一层流体不能在另一层流体上无摩擦滑动。因此,需要力来维持流体中的横向速度梯度。
以下是费曼物理学讲座“湿水流”中的一个例子,第二卷,第41讲,第2页:
有两个平行的实心板,一个在上面,一个在下面,面积都是A。在它们之间有一层液体。假设你保持底板不动,而你以恒定速度v0移动顶板。如果流体是理想的,板块就不会发现它们之间是相对运动的,也就不需要外力来保持底板的静止和v0固定的顶板:惯性就能做到这一点。
但是如果流体具有粘性,那么流体层之间就会有摩擦,在固体板和直接与它们接触的流体之间也会有摩擦。接触到底板的水想要保持静止,接触到顶板的水想要以速度v0移动。你会得到流体速度v的横向梯度,如图所示。保持这个梯度需要你施加一个力
F =ηAv0 / d,
其中d为板的横向间距。如果你保持底板固定,这是保持顶板以速度v0运行所需要的力。如果你沿着速度v0拉动顶板,这是保持底板位置所需的力。如果没有这个力,顶板将使底板加速,或者底板将使顶板减速,直到它们以相同的速度移动,v的横向梯度消失。
系数η称为“粘度”,或“剪切粘度”。η是恒定的,独立于d和v0,是一个假设。像水这样的流体被称为“牛顿流体”,因为艾萨克·牛顿是第一个提出这一理论的人,在他1687年出版的《数学原理》第二卷中。
也有所谓的“第二粘度”或“体积粘度”,但它在大多数情况下不是很重要。当人们说“粘度”他们意味着η。
这就是为什么水不会马上从游泳者身上流走的原因:水会粘在游泳者的固体表面,这样就会把周围的水吸走。因此,费曼把真正的液体称为“湿水”。
注意,这张照片看起来很油腻。油的粘度比水大得多,因此流得慢。你不需要高速摄像机就能看到游泳者从油池中浮出时的这种效果。
表面张力是另外一回事。它是一种趋向于减小流体表面积的力。在这种情况下,它反对使池中的水面变平的变形。请注意,水的表面张力明显高于石油,所以它不可能是表面“含油”的原因。
表面张力可能是一个干燥的固体物体的原因,否则,它会沉在水的表面,这是变形的固体的重量,好像它是一个绷紧的薄板。但是你从来没有见过相反的情况,一个本来可以漂浮的湿固体被保持静止,完全淹没在一个被固体浮力向外变形的水面之下。