Існують дві різні форми, два режими перебігу рідин: ламінарна та турбулентна течії. Течія називається ламінарною (шаровою), якщо вздовж потоку кожен виділений тонкий шар ковзає відносно сусідніх, не перемішуючись з ними, і турбулентним (вихровим), якщо вздовж потоку відбувається інтенсивне вихроутворення та перемішування рідини (газу).
Ламінарнепротягом рідини спостерігається при невеликих швидкостях її руху. При ламінарному перебігу траєкторії всіх частинок паралельні і своєю формою повторюють межі потоку. У круглій трубі, наприклад, рідина рухається циліндричними шарами, які утворюють паралельні стінкам і осі труби. У прямокутному, нескінченної ширини каналі рідина рухається хіба що шарами, паралельними його дну. У кожній точці потоку швидкість залишається у напрямку постійної. Якщо швидкість при цьому не змінюється з часом і за величиною, рух називається встановленим. Для ламінарного руху в трубі епюра розподілу швидкості в поперечному перерізі має вигляд параболи з максимальною швидкістю на осі труби і з нульовим значенням у стінок, де утворюється шар рідини, що прилип. Зовнішній шар рідини, що примикає до поверхні труби, в якій вона тече, через сили молекулярного зчеплення прилипає до неї і залишається нерухомим. Швидкості наступних шарів тим більше, чим більше їхня відстань до поверхні труби, і найбільшою швидкістю має шар, що рухається вздовж осі труби. Профіль усередненої швидкості турбулентної течії в трубах (рис. 53) відрізняється від параболічного профілю відповідної ламінарної течії швидшим зростанням швидкості υ.
Малюнок 9Профілі (епюри) ламінарної та турбулентної течій рідини в трубах
Середнє значення швидкості в поперечному перерізі круглої труби при ламінарному перебігу визначається законом Гагена - Пуазейля:
(8)
де р 1 і р 2 - тиск у двох поперечних перерізах труби, що віддаляються один від одного на відстані Δх; r – радіус труби; η – коефіцієнт в'язкості.
Закон Гаген - Пуазейля легко може бути перевірений. У цьому виявляється, що з звичайних рідин він справедливий лише за малих швидкостях течії чи малих розмірах труб. Точніше сказати, закон Гагена-Пуазейля виконується лише за малих значень числа Рейнольдса:
(9)
де - середня швидкість в поперечному перерізі труби; l- характерний розмір, у разі - діаметр труби; ν - коефіцієнт кінематичної в'язкості.
Англійський вчений Осборн Рейнольдс (1842 - 1912) в 1883 р. зробив досвід за наступною схемою: біля входу в трубу, по якій тече потік рідини, що встановився, поміщалася тонка трубка так, щоб її отвір знаходилося на осі трубки. Через трубочку в потік рідини подавалась фарба. Поки існувала ламінарна течія, фарба рухалася приблизно вздовж осі труби у вигляді тонкої, різко обмеженої смужки. Потім, починаючи з деякого значення швидкості, яке Рейнольдс назвав критичним, на смужці виникли хвилеподібні обурення та окремі вихори, що швидко загасають. У міру зростання швидкості кількість їх ставала більшою, і вони починали розвиватися. При деякому значенні швидкості смужка розпадалася на окремі вихори, які поширювалися на всю товщину потоку рідини, викликаючи інтенсивне перемішування та фарбування всієї рідини. Така течія була названа турбулентним .
Починаючи з критичного значення швидкості, порушувався закон Гагена - Пуазейля. Повторюючи досліди з трубами різного діаметра, з різними рідинами, Рейнольдс виявив, що критична швидкість, за якої порушується паралельність векторів швидкостей течії, змінювалася залежно від розмірів потоку та в'язкості рідини, але завжди таким чином, що безрозмірне число 
приймало у сфері переходу від ламінарного течії до турбулентного певне постійне значення.
Англійський учений О. Рейнольдс (1842 – 1912) довів, що характер течії залежить від безрозмірної величини, яка називається числом Рейнольдса:
(10)
де ν = η/ρ – кінематична в'язкість, ρ – щільність рідини, υ ср – середня за перерізом труби швидкість рідини, l- характерний лінійний розмір, наприклад, діаметр труби.
Таким чином, до деякого значення числа Re існує стійка ламінарна течія, а потім в деякій області значень цього числа ламінарна течія перестає бути стійкою і в потоці виникають окремі, більш-менш швидко згасають обурення. Ці значення числа Рейнольдс назвав критичними Re кр. При подальшому збільшенні значення Рейнольдса рух стає турбулентним. Область критичних значень Re лежить зазвичай між 1500-2500. Слід зазначити, що значення Re кр впливає характер входу в трубу і ступінь шорсткості її стінок. При дуже гладких стінках і особливо плавному вході в трубу критичне значення числа Рейнольдса вдавалося підняти до 20 000, а якщо вхід в трубу має гострі краї, задирки і т. д. або стінки шорсткі труби, значення Re кр може впасти до 800-1000 .
При турбулентному перебігу частинки рідини набувають складові швидкостей, перпендикулярні до течії, тому вони можуть переходити з одного шару в інший. Швидкість частинок рідини швидко зростає в міру віддалення поверхні труби, потім змінюється досить незначно. Так як частинки рідини переходять з одного шару в інший, їх швидкості в різних шарах мало відрізняються. Через великий градієнт швидкостей у поверхні труби зазвичай відбувається утворення вихорів.
Турбулентний перебіг рідин найбільш поширений у природі та техніці. Течія повітря в. атмосфері, води в морях та річках, у каналах, у трубах завжди турбулентно. У природі ламінарний рух зустрічається при фільтрації води в тонких порах дрібнозернистих ґрунтів.
Вивчення турбулентної течії та побудова її теорії надзвичайно ускладнено. Експериментальні та математичні труднощі цих досліджень досі подолані лише частково. Тому ряд практично важливих завдань (перебіг води в каналах і річках, рух літака заданого профілю в повітрі та ін) доводиться вирішувати приблизно, або випробуванням відповідних моделей у спеціальних гідродинамічних трубах. p align="justify"> Для переходу від результатів, отриманих на моделі, до явища в натурі служить так звана теорія подоби. Число Рейнольдса є одним із основних критеріїв подібності перебігу в'язкої рідини. Тому визначення його практично дуже важливе. У цьому роботі спостерігається перехід від ламінарного течії до турбулентного і визначається кілька значень числа Рейнольдса: у сфері ламінарного течії, в перехідної області (критичне протягом) і за турбулентному течії.
Фотографія ламінарної течії
Ламінарний потік- спокійний перебіг рідини чи газу без перемішування. Рідина або газ переміщуються шарами, які ковзають один щодо одного. У міру того, як збільшується швидкість руху шарів, або зі зменшенням в'язкості рідини ламінарний потік перетворюється на турбулентний . Для кожної рідини або газу ця точка настає за певної величини числа Рейнольдса.
Опис
Ламінарні течії спостерігаються або у дуже в'язких рідин, або при течії, що відбуваються з досить малими швидкостями, а також при повільному обтіканні рідиною тіл малих розмірів. Зокрема, ламінарні течії мають місце у вузьких (капілярних) трубках, у шарі мастила в підшипниках, у тонкому прикордонному шарі, який утворюється поблизу поверхні тіл при обтіканні їх рідиною або газом, та ін. деякий момент перейти в невпорядкований турбулентний перебіг. У цьому різко змінюється сила опору руху. Режим течії рідини характеризується так званим числом Рейнольдса (Re).
Коли значення Re менше деякого критичного числа Re kp має місце ламінарні течії рідини; якщо Re > Re kp, режим течії може стати турбулентним. Значення Re кр залежить від виду течії, що розглядається. Так, для течії в круглих трубах Rе кр ≈ 2200 (якщо характерною швидкістю вважати середню за перерізом швидкість, а характерним розміром - діаметр труби). Отже, при Re kp< 2200 течение жидкости в трубе будет ламинарным.
Розподіл швидкостей
Профіль опосередкування швидкості:
а - ламінарний перебіг
б - турбулентний перебіг
При ламінарному перебігу в необмежено довгій трубі швидкість у будь-якому перерізі труби змінюється за законом V-V 0 ( 1 - r 2 /а 2 ), де а - радіус труби, r - відстань від осі, V 0 = 2V порівн - осьова (чисельно максимальна) швидкість течії; відповідний параболічний профіль швидкостей показано на рис. а.
Напруга тертя змінюється вздовж радіусу за лінійним законом τ=τ w r/a де τ w = 4μVср/a - Напруга тертя на стінці труби.
Для подолання сил в'язкого тертя в трубі при рівномірному русі повинен мати місце поздовжній перепад тиску, який зазвичай виражається рівністю P1-P2 = λ(l/d)ρV ср 2 /2 де P1 і P2 - Тиску в к.-н. двох поперечних перерізах, що знаходяться на відстані l один від одного, λ - Коеф. опору , що залежить від Re для ламінарної течії λ = 64/Re .
Ламінарною течієюрідини називається шаруватий перебіг без перемішування частинок рідини і без пульсацій швидкостей та тиску.
Закон розподілу швидкостей перерізу круглої труби при ламінарному режимі руху, встановлений англійським фізиком Дж. Стоксом, має вигляд
,
де 
,
- Втрати напору по довжині.
При 
, тобто. на осі труби 
,
.
При ламінарному русі епюра швидкостей по поперечному перерізі труби матиме форму квадратичної параболи.
Турбулентний Режим руху рідини
Турбулентнимназивається перебіг, що супроводжується інтенсивним перемішуванням рідини та пульсаціями швидкостей та тисків.
Внаслідок наявності вихорів та інтенсивного перемішування частинок рідини у будь-якій точці турбулентного потоку в даний момент часу має місце своя за значенням та направленням миттєва місцева швидкість uа траєкторія частинок, що проходять через цю точку, має різний вигляд (займають різне положення в просторі і мають різну форму). Таке коливання у часі миттєвої місцевої швидкості називається пульсацією швидкості. Те саме відбувається і з тиском. Таким чином, турбулентний рух є невстановленим.
Усереднена місцева швидкість ū - фіктивної середньої швидкості в даній точці потоку на досить тривалий проміжок часу, яка незважаючи на значні коливання миттєвих швидкостей, залишається практично постійною за значенням та паралельною осі потоків
|
|
|
.П 
про Прандтлю турбулентний потік складається з двох областей: ламінарного підшаруі турбулентного ядрапотоку, між якими існує ще одна область – перехідний шар. Сукупність ламінарного підшару та перехідного шару в гідродинаміці називають зазвичай прикордонним шаром.
Ламінарний підшар, розташований безпосередньо біля стін труби, має дуже малу товщину δ , яка може бути визначена за формулою
.
У перехідному шарі ламінарна течія вже порушується поперечним переміщенням частинок, причому чим далі розташована точка від стінки труби, тим вище інтенсивність перемішування частинок. Товщина цього шару також невелика, але чітку межу встановити важко.
Основну частину живого перерізу потоку займає ядро потоку, у якому спостерігається інтенсивне перемішування частинок, тому саме він характеризує турбулентний рух потоку загалом.
ПОНЯТТЯ ПРО ГІДРАВЛІЧНО ГЛАДКИХ І ШЕРХУВАТИХ ТРУБ
П 
поверхня стінок труб, каналів, лотків мають ту чи іншу шорсткість. Позначимо висоту виступів шорсткості буквою Δ. Величину Δ називають абсолютною шорсткістю, А її відношення до діаметра труби (Δ/d) - відносною шорсткістю; величина зворотна відносної шорсткості, носить назвувідносної гладкості
(d/Δ). δ Залежно від співвідношення товщені ламінарного підшару. та висоти виступів шорсткості Δ розрізняютьі гідравлічно гладкішорсткі<Δ трубы считаются гидравлически шероховатыми. Так как значение δ зависит от Re, то одна и та же труба может быть в одних и тех же условиях гидравлически гладкой (при малых Re), а в других – шероховатой (при больших Re).
труби. Якщо ламінарний підшар повністю покриває всі виступи стінках труби, тобто. δ>Δ, труби вважаються гідравлічно гладкими. При δ
Лекція №9
ГІДРАВЛІЧНІ ВТРАТИ
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ. При русі потоку реальної рідини відбуваються втрати напору, оскільки частина питомої енергії потоку витрачається подолання різних гідравлічних опорів. Кількісне визначення втрат напору h п
де α – є одним із найважливіших завдань гідродинаміки, без вирішення якої не можливе практичне використання рівняння Бернуллі: коефіцієнт кінетичної енергії, що дорівнює для турбулентного потоку 1,13, а для ламінарного - 2; v При русі потоку реальної рідини відбуваються втрати напору, оскільки частина питомої енергії потоку витрачається подолання різних гідравлічних опорів. Кількісне визначення втрат напору-Середня швидкість потоку;
- Зменшення питомої механічної енергії потоку на ділянці між перерізами 1 і 2, що проходить в результаті сил внутрішнього тертя. Втрати питомої енергії (напору), або, як їх часто називають,гідравлічні втрати
, залежить від форми, розмірів русла, швидкості течії і в'язкості рідини, котрий іноді від абсолютного тиску у ній. В'язкість рідини, хоч і є першопричиною всіх гідравлічних втрат, але далеко не завжди істотно впливає на їх величину.
,
Як показують досліди, у багатьох, але не у всіх випадках гідравлічні втрати приблизно пропорційні швидкості перебігу рідини в другому ступені, тому в гідравліці прийнятий наступний загальний спосіб вираження гідравлічних втрат повного напору в лінійних одиницях:
.
або в одиницях тиску ζ Такий вираз зручно тим, що включає безрозмірний коефіцієнт пропорційності. званийкоефіцієнтом втрат,
або коефіцієнтом опору, значення якого для даного русла у першому грубому наближенні постійно. ζ, Коефіцієнт втрат
таким чином, є відношення втраченого натиску до швидкісного натиску.
Гідравлічні втрати зазвичай поділяють на місцеві втрати та втрати на тертя за довжиною. 
Менергії зумовлені про місцевими гідравлічними опорами, тобто. місцевими змінами форми та розміру русла, що викликають деформацію потоку. При протіканні рідини через місцеві опори змінюється швидкість і зазвичай виникають великі вихори. Останні утворюються за місцем відриву потоку від стінок і являють собою області, в яких частинки рідини рухаються в основному замкнутим кривим або близьким до них траєкторіям.
Місцеві втрати напору визначаються за формулою Вейсбаха так:
,
Як показують досліди, у багатьох, але не у всіх випадках гідравлічні втрати приблизно пропорційні швидкості перебігу рідини в другому ступені, тому в гідравліці прийнятий наступний загальний спосіб вираження гідравлічних втрат повного напору в лінійних одиницях:
,
де коефіцієнт кінетичної енергії, що дорівнює для турбулентного потоку 1,13, а для ламінарного - 2;- середня за перерізом швидкість у трубі, в якій встановлено даний місцевий опір.
Якщо ж діаметр труби і, отже, швидкість у ній змінюються по довжині, то за розрахункову швидкість зручніше приймати більшу зі швидкостей, тобто. ту, що відповідає меншому діаметру труби.
Кожен місцевий опір характеризується своїм значенням коефіцієнта опору ζ , яке у багатьох випадках приблизно можна вважати постійним для цієї форми місцевого опору.
Втрати на тертяпо довжині, - це втрати енергії, що у чистому вигляді виникають у прямих трубах постійного перерізу, тобто. при рівномірному перебігу, і зростають пропорційно до довжини труби. Втрати, що розглядаються, обумовлені внутрішнім в рідині, а тому мають місце не тільки в шорстких, а й гладких трубах.
Втрати напору тертя можна висловити за загальною формулою для гідравлічних втрат, тобто.
,
проте зручніший коефіцієнт ζ пов'язати з відносною довгою труби l/ d.
Візьмемо ділянку круглої труби довжиною, що дорівнює її діаметру, і позначимо його коефіцієнт втрат через λ . Тоді для всієї труби довгою l та діаметром d. коефіцієнт втрат буде в l/ d разів більше:
.
Тоді втрати натиску на тертя визначаються за формулою Вейсбаха-Дарсі:
,
Як показують досліди, у багатьох, але не у всіх випадках гідравлічні втрати приблизно пропорційні швидкості перебігу рідини в другому ступені, тому в гідравліці прийнятий наступний загальний спосіб вираження гідравлічних втрат повного напору в лінійних одиницях:
.
Безрозмірний коефіцієнт λ називають коефіцієнтом втрат на тертя за довжиною,або коефіцієнтом Дарсі.Його можна розглядати як коефіцієнт пропорційності між втратою натиску на тертя, і добутком відносної довжини труби на швидкісний натиск.
Н 
важко з'ясувати фізичний зміст коефіцієнта λ
, якщо розглянути умову рівномірного руху в трубі циліндричного об'єму завдовжки lта діаметром d, тобто. рівність нулю суми сил, що діють на обсяг: сил тиску та сил тертя. Ця рівність має вигляд
,
де
- Напруга тертя на стінці труби.
Якщо врахувати 
, можна отримати
,
тобто. коефіцієнт λ є величина, пропорційна відношенню напруги тертя на стінці труби до динамічного тиску, визначеного середньої швидкості.
Зважаючи на сталість об'ємної витрати несжимаемой рідини вздовж труби постійного перерізу, швидкість і питома кінетична енергія також залишаються постійними, незважаючи на наявність гідравлічних опорів і втрат напору. Втрати натиску у разі визначаються різницею показань двох п'єзометрів.
Лекція №10
Визначення законів опору та значення
Критичного числа Рейнольдса при ламінарному
І турбулентному режимах перебігу рідини
Мета роботи та зміст роботи
Дослідити режими перебігу рідини в трубопроводах, визначити критичне число Рейнольдса та характеристики опору руху рідини трубопроводом.
2.2 Короткі теоретичні відомості
Види режимів перебігу
У реальному потоці рідини, як свідчать численні досліди, можливі різні течії рідини.
1. Ламінарне(шарувате) течія, в якому частинки рідини рухаються у своїх шарах не перемішуючи. При цьому самі частки усередині шару має обертальний рух (рисунок 2.1) за рахунок градієнта швидкостей.
Малюнок 2.1
При збільшенні швидкості перебігу рідини – швидкість Vзбільшується, градієнт швидкості, відповідно. Збільшується обертальний рух частинок, при цьому швидкість віддаленого від стінки шару ще більше збільшується (рисунок 2.2), а швидкість пристінкових шарів ще більш зменшується.
Малюнок 2.2
Відповідно у пристінкових шарах збільшується гідромеханічний тиск (за рівнянням Бернуллі). Під дією різниці тиску обертова частка перемішується в товщу ядра (рисунок 2.3), утворюючи другий режим перебігу рідини – турбулентна течія.
Малюнок 2.3
2. Турбулентна течіярідини супроводжується інтенсивним перемішуванням рідини та пульсацією швидкостей та тисків (рисунок 2.4).
Малюнок 2.4
Німецький вчений О. Рейнольдс у 1883 р. довів, що перехід від ламінарного перебігу рідини до турбулентного залежить від в'язкості рідини, її швидкості та характерного розміру (діаметра) труби.
Критична швидкість, при якій ламінарний перебіг переходить у турбулентний, дорівнює:
де K- Універсальний коефіцієнт пропорційності (він однаковий для всіх рідин і діаметрів труб); d- Діаметр трубопроводу.
Цей безрозмірний коефіцієнт було названо критичним числом Рейнольдса:
. (2.1)
Як показують досліди, для рідин 
. Очевидно, число Reможе служити критерієм, що дозволяють судити про режим перебігу рідини в трубах, так
при 
течія ламінарна,
при течії турбулентне.
На практиці ламінарнеТечія спостерігається при перебігу в'язких рідин (в гідро-і маслосистем літака). ТурбулентнеТечія спостерігається у водопроводі, в паливних (гас, бензин, спирт) системах.
У гідравлічних системах спостерігається ще один вид перебігу рідини кавітаційний режим течії. Це рух рідини, пов'язане зі зміною її агрегатного стану (перетворення на газ, виділення розчиненого повітря та газів). Це явище спостерігається тоді, коли місцеве статичнетиск знижується до тиску пружності насичених парів рідини, тобто при 
(Рисунок 2.5)
Малюнок 2.5
У цьому випадку в даному місці потоку починається інтенсивне пароутворення та виділення повітря та газів. У потоці утворюються газові порожнини (кавітас - порожнину). Такий перебіг рідини називається кавітаційним. Кавітація- явище небезпечне, бо, по-перше, веде до різкого зменшення витрати рідини (а отже, і до можливого вимкнення двигуна при кавітації в паливній системі), і, по-друге, бульбашки газу, впливаючи на лопатки насосів, руйнують їх.
У паливних системах борються з кавітацією шляхом підвищення тиску в баках або системі за допомогою насосів, що підкачують, і системи наддуву баків. Це необхідно враховувати при проектуванні та конструюванні гідросистем літальних апаратів (особливо паливної). Річ у тім, що з низки причин ці системи пов'язані з атмосферою (система суфлювання). З підйомом на висоту тиск над поверхнею ємностей систем зменшується, отже, зменшується статичний тиск у трубопроводах. У поєднанні із втратами тиску на місцевих опорах та зменшенням статичного тиску при великих швидкостях течії у трубопроводах виникає небезпека появи кавітаційних тисків.
Основи теорія ламінарного перебігу рідини
У трубах
Ламінарна течія є строго впорядкованою шаруватою течією і підпорядковується закону тертя Ньютона:
(2.2)
Розглянемо ламінарний перебіг рідини, що встановився, в круглій прямій трубі (рисунок 2.6), розташованої горизонтально ( 
). Оскільки труба циліндрична, то 
і в цьому випадку рівняння Бернуллі набуде вигляду:
, (2.3)
. (2.4)
Виділимо у рідині (рисунок 2.6) об'єм рідини радіусом rта довжиною l. Очевидно, сталість швидкості буде забезпечена, якщо сума сил тиску та тертя, що діє на виділений обсяг, дорівнюватиме нулю, тобто
. (2.5)
Дотичні напруги в поперечному перерізі труби змінюються за лінійним законом пропорційно до радіуса (рисунок 2.6).
Малюнок 2.6
Прирівнюючи (2.4) та (2.5), отримаємо:
або, інтегруючи від r= 0 до r = r 0, отримуємо закон розподілу швидкостей по перерізу круглої труби:
. (2.6)
Витрата рідинивизначається як dQ = VdS. Підставляючи останній вираз (2.6) і враховуючи, що dS = 2prdr, після інтегрування отримуємо:
Отже, витрата рідини при ламінарному перебігу пропорційна радіусу труби в четвертому ступені.
. (2.8)
Порівнюючи (2.6) та (2.8), отримуємо, що
. (2.9)
Для визначення втрат напору на тертя – , визначимо з (2.7):
. (2.10)
Отже,
(2.11)
або, замінюючи mчерез nrі gчерез qr, отримаємо
(2.12)
Таким чином, при ламінарному перебігу в круглій трубі втрати податку за тертя пропорційні витраті рідини і в'язкості, і пропорційні назад діаметру труби в четвертому ступені. Чим менший діаметр труби, тим більше втрати натиску на тертя.
Раніше ми умовилася, що втрати на гідроопір завжди пропорційні квадрату швидкості рідини. Для отримання такої залежності відповідно перетворимо вираз (2.12), враховуючи, що
, а 
.
Після відповідних перетворень отримаємо:
, (2.13)
, (2.14)
Гідродинаміка є найважливішим розділом фізики, що вивчає закони руху рідини залежно від зовнішніх умов. Важливим питанням, що розглядається у гідродинаміці, є питання визначення ламінарного та турбулентного перебігу рідини.
Що таке рідина?
Щоб краще зрозуміти питання ламінарного та турбулентного перебігу рідини, необхідно для початку розглянути, що являє собою ця субстанція.
Рідкістю у фізиці називають один із 3-х агрегатних станів матерії, яке при заданих умовах здатне зберігати свій обсяг, але яка при впливі мінімальних тангенціальних сил змінює свою форму і починає текти. На відміну від твердого тіла, в рідині не виникають сили опору зовнішньому впливу, які прагнули б повернути її вихідну форму. Від газів рідина відрізняється тим, що вона здатна зберігати свій об'єм при постійному зовнішньому тиску і температурі.
Параметри, що описують властивості рідин
Питання ламінарного та турбулентного перебігу визначається, з одного боку, властивостями системи, в якій розглядається рух рідини, з іншого боку, характеристиками плинної субстанції. Наведемо основні властивості рідин:
- Густина. Будь-яка рідина є однорідною, тому для її характеристики використовують цю фізичну величину, що відображає кількість маси текучої субстанції, яка посідає її одиницю обсягу.
- В'язкість. Ця величина характеризує тертя, що виникає між різними шарами рідини у її течії. Так як в рідинах потенційна енергія молекул приблизно дорівнює їх кінетичній енергії, вона обумовлює наявність деякої в'язкості в будь-яких реальних текучих субстанціях. Ця властивість рідин є причиною втрати енергії в процесі їхнього перебігу.
- Стисливість. При збільшенні зовнішнього тиску будь-яка текуча субстанція зменшує свій обсяг, проте, для рідин цей тиск має бути досить велике, щоб незначно зменшити об'єм, що займає ними, тому для більшості практичних випадків, цей агрегатний стан вважають несжимаемым.
- Поверхневий натяг. Ця величина визначається роботою, яку потрібно витратити, щоб утворити одиницю поверхні рідини. Існування поверхневого натягу обумовлено наявністю сил міжмолекулярної взаємодії в рідинах і визначає їх капілярні властивості.
Ламінарна течія
Вивчаючи питання турбулентної та ламінарної течії, розглянемо спочатку останнє. Якщо для рідини, яка знаходиться в трубі, створити різницю тиску на кінцях цієї труби, то вона почне текти. Якщо перебіг субстанції є спокійним, і кожен її шар переміщається вздовж плавної траєкторії, яка не перетинає лінії руху інших шарів, тоді говорять про ламінарний режим течії. Під час нього кожна молекула рідини переміщається вздовж труби певною траєкторією.
Особливостями ламінарної течії є такі:
- Перемішування між окремими шарами текучої субстанції немає.
- Шари, що знаходяться ближче до осі труби, рухаються з більшою швидкістю, ніж ті, що розташовані на її периферії. Цей факт пов'язаний з наявністю сил тертя між молекулами рідини та внутрішньою поверхнею труби.
Прикладом ламінарної течії є паралельні струмені води, що випливають із душу. Якщо в ламінарний потік додати кілька крапель барвника, то можна бачити, як вони витягуються в струмінь, який продовжує свою плавну течію, не перемішуючи в об'ємі рідини.
Турбулентна течія
Цей режим кардинально відрізняється від ламінарного. Турбулентний перебіг являє собою хаотичний потік, в якому кожна молекула рухається довільною траєкторією, яку можна передбачити лише в початковий момент часу. Для цього режиму характерні завихрення та кругоподібні рухи невеликих обсягів у потоці рідини. Проте, незважаючи на хаотичність траєкторій окремих молекул, загальний потік рухається у певному напрямку, і цю швидкість можна характеризувати деякою середньою величиною.
Прикладом турбулентної течії є потік води у гірській річці. Якщо капнути барвник у такий потік, то можна бачити, що в початковий момент часу з'явиться струмінь, який почне відчувати спотворення та невеликі завихрення, а потім зникне, перемішавшись у всьому об'ємі рідини.
Від чого залежить режим перебігу рідини?
Ламінарний або турбулентний режими течії залежать від співвідношення двох величин: в'язкості текучої субстанції, що визначає тертя між шарами рідини, та інерційних сил, які описують швидкість потоку. Чим більш в'язка субстанція, і що менше швидкість її течії, то вище ймовірність появи ламінарного потоку. Навпаки, якщо в'язкість рідини мала, а швидкість її пересування велика, то потік буде турбулентним.
Нижче наводиться відео, яке наочно пояснює особливості режимів перебігу субстанції, що розглядаються.
Як визначити режим течії?
Для практики це питання дуже важливе, оскільки відповідь на нього пов'язана з особливостями руху об'єктів у поточному середовищі та величиною енергетичних втрат.
Перехід між ламінарним та турбулентним режимами перебігу рідини можна оцінити, якщо використовувати так звані числа Рейнольдса. Вони є безрозмірною величиною і названі на честь прізвища ірландського інженера та фізика Осборна Рейнольдса, який наприкінці ХІХ століття запропонував їх використовувати для практичного визначення режиму руху плинної субстанції.
Розрахувати число Рейнольдса (ламінарний та турбулентний перебіг рідини в трубі), можна за наступною формулою: Re = ρ*D*v/μ, де ρ і μ - щільність і в'язкість субстанції, відповідно, v - середня швидкість її перебігу, D - діаметр труби. У формулі чисельник відбиває інерційні сили чи потік, а знаменник визначає сили тертя чи в'язкість. Звідси можна дійти невтішного висновку, що, якщо число Рейнольдса для аналізованої системи має велику величину, отже, рідина тече в турбулентному режимі, і навпаки, невеликі числа Рейнольдса говорять про існування ламінарного потоку.
Конкретні значення чисел Рейнольдса та їх використання
Як було сказано вище, можна використовувати для визначення ламінарного та турбулентного перебігу число Рейнольдса. Проблема полягає в тому, що воно залежить від особливостей системи, наприклад, якщо труба матиме нерівності на своїй внутрішній поверхні, то турбулентний перебіг води в ній почнеться при менших швидкостях потоку, ніж у гладкій.
Статистичні дані багатьох експериментів показали, що незалежно від системи та природи плинної субстанції, якщо число Рейнольдса менше 2000, то має місце ламінарний рух, якщо ж він більший за 4000, то потік стає турбулентним. Проміжні значення чисел (від 2000 до 4000) свідчать про наявність перехідного режиму.
Зазначені числа Рейнольдса використовуються визначення руху різних технічних об'єктів і апаратів у текучих середовищах, на дослідження течії води по трубах різної форми, і навіть відіграють важливу роль щодо деяких біологічних процесів, наприклад, рух мікроорганізмів в кров'яних судинах людини.