[科普中國]-黏性力

黏性流是黏性不可忽略的流體。實際流體都是有黏性的，不過有的大（如甘油、油漆、蜂蜜），有的小（如水、空氣）。流層間阻礙流體相對錯動（變形）趨勢的能力稱為流體的黏性。

假設(shè)有一股直勻流（速度均一，方向和大小不變），順著流動方向放置一塊無限薄的平板，流體的實際速度分布就變?yōu)橛覉D所示。流體在沒有流到平板以前速度原是均一的，一流到平板上，直接貼著平板的那層流體速度降為零（即滿足物面無滑移條件）；沿著法線向外，流體速度逐漸由零變大（即存在速度梯度），直到離平板相當(dāng)遠(yuǎn)的地方流速才和原來沒有顯著差別。

生活中，比如河里的流水，靠岸處的水流就比河中心的水流慢些。

設(shè)有上下兩塊平行放置的平板，其中下面一塊靜止不動，而上面一塊則沿水平方向向右勻速移動，如右圖所示。如果在該水平兩板之間有流體存在，當(dāng)流體作整體運(yùn)動，并且各層流體的運(yùn)動速度不同時，各層流體之間就存在摩擦作用，通常稱為流體的內(nèi)摩擦，或者流體的黏滯性。

假設(shè)在任意高度處，選擇一平面S-S，將流體分為上下兩層，上層流體運(yùn)動較快，下層流體運(yùn)動較慢。由于流體的黏滯性，則在平面S-S上就存在黏性力P。該力對于上層流體來說是一個阻力，方向向左；而對于下層流體來說則相反，為一個動力，方向向右。如果S-S平面上流體的流速為 ，速度梯度為 。因此，黏性力的計算式即牛頓定律表達(dá)式為

其中，A為S-S平面的面積； 為比例常數(shù)，稱為流體的黏性系數(shù)。

由此可見，黏性力與面積和速度梯度成正比。1

相對錯動流層間的一對摩擦力即為黏性剪切力。

鄰層流體速度有差別（即 ）時，二者之間必有摩擦力在作用。單位面積上的摩擦力稱摩擦應(yīng)力，記為 。這個力對于較快流層而言是一個阻礙流動的阻力，對于較慢流層而言是一個推動流動的拉力。

牛頓提出，流體內(nèi)部的摩擦應(yīng)力 和速度梯度的關(guān)系為

比例常數(shù)記為 ，則

上式稱為牛頓粘性定律。 稱為黏度，單位是kg/(m·s)。2

流體分子在不停地進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動，不論流體是靜止?fàn)顟B(tài)還是流動狀態(tài)。這種不規(guī)則的熱運(yùn)動會使不同流層中的氣體質(zhì)量進(jìn)行交換，而流體各層速度不同的話，鄰層的兩個流體分子的動量也不同。鄰層之間既有質(zhì)量交換，必有動量交換?？鞂恿黧w分子由于熱運(yùn)動跑到慢層流體分子中，便從快層流動帶走一份動量到慢層流動里，從而加快了慢層流體流動；反之，慢層流體分子由于熱運(yùn)動跑到快層流體分子中，便從慢層流動帶走一份動量到快層流動里，從而減慢了快層流體流動。于是就產(chǎn)生了上文中的速度梯度。

所以，黏度 只決定于分子的熱運(yùn)動速度，而流體的溫度正是分子熱運(yùn)動的動能的一個直接標(biāo)志，因此同一流體的黏度只決定于流體的溫度，而與壓強(qiáng)無關(guān)。

液體和氣體的動力黏性系數(shù)隨溫度變化的趨勢相反，因為它們產(chǎn)生黏性的物理原因不同，前者主要來自于液體分子間的內(nèi)聚力，黏度與溫度成正比；后者主要來自于氣體分子的熱運(yùn)動，黏度與溫度成反比。2