Kvant. Вязкое трение

Буховцев Б.Б. Вязкое трение //Квант. — 1987. — № 3. — С. 38-39.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

С трением знакомы практически все. Оно сопровождает любые движения тел и накладывает отпечаток на характер этих движений. В «Кванте» уже рассказывалось о трении, возникающем при относительном движении двух сухих поверхностей трущихся тел, об исследованиях Кулона и Амонтона, относящихся к зависимости силы сухого трения от силы нормального давления, от площади контакта и от относительной скорости движущихся тел.

Но совершенно сухие тела в природе почти не встречаются, и техника больше имеет дело со смазанными поверхностями. Трение между твердым телом и жидкостью или газом называется жидким, или вязким, трением. Оно подчиняется своим закономерностям, существенно отличающимся от законов сухого трения. Каково это отличие и чем оно объясняется?

Отличие, прежде всего,— в отсутствии силы трения покоя. Любая сколь угодно малая сила может привести в движение тело относительно жидкости или газа. И наоборот — бесконечно медленно движущееся тело не испытывает в газе или жидкости никакого сопротивления. Причина состоит в том, что «трутся» друг о друга фактически не шероховатые со впадинами и выступами (конечно, микроскопическими) поверхности твердых тел, сцеплением которых и определяется трение покоя, а слои жидкости или газа. Как это происходит, и что вообще означает появление силы, препятствующей движению (силы сопротивления движению) тела?

В основе любых сил трения движения лежит стремление тела сообщить свое движение другим телам, которые с ним соприкасаются, или, другими словами,— тенденция к выравниванию скоростей движения. Силы трения всегда стремятся замедлить движение более быстрых тел и ускорить движение более медленных.

В случае сопротивления движению твердого тела в жидкости или газе речь идет о передаче импульса (количества движения) молекул слоя, который движется в каком-то направлении с большей скоростью, чем соседний слой, молекулам этого соседнего слоя. И наоборот, молекулы этого медленного слоя, обладая кроме своего хаотического движения еще и медленным направленным движением вдоль границы слоев, разбавляют «быстрый» слой, тем самым замедляя его. Обычно считается, что слой, непосредственно прилегающий к телу, имеет ту же скорость, что и тело. Следовательно, он испытывает ту же силу трения и, в свою очередь, замедляет или ускоряет слой, отстоящий чуть дальше. При этом играет роль то, как быстро нарастает (или убывает) скорость по мере перехода от одного слоя к другому, или, как говорят, сколь велик градиент скорости.

Исследования различных ученых показали, что при небольших скоростях сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения твердого тела и жидкости или газа. Она зависит также от природы жидкости и от формы и размеров тела. Такую силу сопротивления испытывают, например, частицы тумана и дыма, оседающие в воздухе, маленькие твердые шарики, падающие в вязкой жидкости (например, в глицерине) и т. п.

При любом виде трения движения происходит еще одно крайне важное явление. Это превращение энергии механического движения во внутреннюю энергию (тепловое движение молекул) в соответствии с законом сохранения энергии. Еще Кулон исследовал затухание крутильных колебаний цилиндра в жидкости. В этом опыте механическая энергия цилиндра при колебаниях рассеивается, превращаясь в тепло, и жидкость вместе с цилиндром нагреваются. А если бы жидкость была идеальной, т. е. не обладающей вязкостью, то цилиндр мог бы колебаться на упругом подвесе вечно.

Итак, вязкое трение приводит к потере механической энергии, к сопротивлению движению тела в жидкости. Но означает ли это, что вязкость жидкости или газа нужно во всех случаях уменьшать, что самолет, например, в таком случае будет летать быстрее? Отнюдь! Самолет в воздухе, лишенном внутреннего трения (в идеальной «жидкости»), вообще не взлетит, так как подъемная сила его крыла будет равна нулю, как и сила тяги воздушного винта. Дело здесь в особом свойстве лишенного вязкости потока идеальной жидкости. Оказывается, на тело любой формы такой поток может действовать только с силами, сумма которых равна нулю. В этом состоит сущность так называемого парадокса Даламбера-Эйлера. Но обсуждение этого вопроса, к сожалению, выходит за рамки данной заметки.