Lepkość płynu

Jedną z podstawowych własności poruszającego się płynu jest pewien opór stawiany siłom zewnętrznym podczas ścinania sąsiadujących ze sobą warstewek płynu. Siły te wywołują w płynie naprężenia styczne τ, które stanowią istotę tzw. lepkości lub tarcia wewnętrznego.

Lepkością nazywamy zdolność płynu rzeczywistego do przenoszenia naprężeń stycznych podczas jego ścinania.

W przeciwieństwie do zachowania się ciał stałych poddanych ścinaniu, płyny podlegają odkształceniu lepkościowemu, tzn. pod wpływem stałego naprężenia stycznego następuje przyrost odkształcenia postaciowego w czasie ścinania. Zjawisko takie nazywa się płynięciem. Lepkość, jako miara oporu stawianego przez płyn siłom ścinającym uwarunkowana jest jego strukturą cząsteczkową. Przy założeniu jednak, że płyn traktowany jest jako ośrodek ciągły, należy sformułować dodatkowe prawo fizyczne określające zależność między naprężeniem stycznym i prędkością wywołanego przezeń odkształcenia postaciowego.

Rys.1.4. Interpretacją szybkości ścinania (prędkości odkształcenia postaciowego) w przypadku płaskiego przepływu Poiseuille’a.

(1.14)

Obliczmy prędkość narastania odkształcenia postaciowego w czasie t, którą dalej nazywać będziemy szybkością ścinania

(1.15)

Uwzględniając w równaniu (1.15) zależność (1.14) , tzn.

i zauważając, że

mamy

(1.16)

Zgodnie z hipotezą Newtona (zwaną również prawem tarcia wewnętrznego Newtona):

Naprężenie styczne w płynie jest wprost proporcjonalne do szybkości ścinania.

(1.17)

Współczynnik proporcjonalności w prawie Newtona η nosi nazwę dynamicznego współczynnika lepkości i zależy od rodzaju płynu, temperatury oraz ciśnienia.

Inną miarą lepkości płynu jest kinematyczny współczynnik lepkości ν zdefiniowany jako stosunek dynamicznego współczynnika lepkości do gęstości płynu

(1.18)

Wszystkie płyny spełniające prawo (1.17) nazywamy płynami newtonowskimi.

Zaliczyć do nich można wszystkie gazy oraz ciecze, które z reguły mają małą masę cząsteczkową. Pozostałe płyny, w tym niektóre układy wielofazowe, nie spełniają hipotezy Newtona (1.17) i wykazują znacznie bardziej złożone własności reologiczne. Noszą one nazwę płynów nienewtonowskich. Przykładem takich płynów są: roztwory polimerowe i koloidalne, zawiesiny, emulsje, pasty itp.