黏性力

實際流體都是有黏性的。黏性力是流體間阻礙流體相對錯動（變形）趨勢的摩擦力。

基本介紹

• 中文名：黏性力
• 外文名：viscous force

流體的黏性

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。

黏性流體流過物面時的速度分布

假設有一股直勻流（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為右圖所示。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），直到離平板相當遠的地方流速才和原來沒有顯著差別。

生活中，比如河裡的流水，靠岸處的水流就比河中心的水流慢些。

黏性力的推導

設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，當流體作整體運動，並且各層流體的運動速度不同時，各層流體之間就存在摩擦作用，通常稱為流體的內摩擦，或者流體的黏滯性。

流體黏性力計算圖

假設在任意高度處，選擇一平面S-S，將流體分為上下兩層，上層流體運動較快，下層流體運動較慢。由於流體的黏滯性，則在平面S-S上就存在黏性力P。該力對於上層流體來說是一個阻力，方向向左；而對於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式為

其中，A為S-S平面的面積； 為比例常數，稱為流體的黏性係數。

由此可見，黏性力與面積和速度梯度成正比。

黏性剪下應力

相對錯動流層間的一對摩擦力即為黏性剪下力。

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力，記為 。這個力對於較快流層而言是一個阻礙流動的阻力，對於較慢流層而言是一個推動流動的拉力。

黏性力示意圖

牛頓提出，流體內部的摩擦應力 和速度梯度的關係為

比例常數記為 ，則

上式稱為牛頓粘性定律。 稱為黏度，單位是kg/(m·s)。

黏性的本質

流體分子在不停地進行著不規則的熱運動，不論流體是靜止狀態還是流動狀態。這種不規則的熱運動會使不同流層中的氣體質量進行交換，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。鄰層之間既有質量交換，必有動量交換。快層流體分子由於熱運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，慢層流體分子由於熱運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。於是就產生了上文中的速度梯度。

所以，黏度 只決定於分子的熱運動速度，而流體的溫度正是分子熱運動的動能的一個直接標誌，因此同一流體的黏度只決定於流體的溫度，而與壓強無關。

液體和氣體的動力黏性係數隨溫度變化的趨勢相反，因為它們產生黏性的物理原因不同，前者主要來自於液體分子間的內聚力，黏度與溫度成正比；後者主要來自於氣體分子的熱運動，黏度與溫度成反比。