流體黏性與剪切應(yīng)力的普遍化關(guān)系式及性質(zhì)劃分

2024年2月21日發(fā)(作者：三峽大學(xué)理學(xué)院)

流體黏性與剪切應(yīng)力的普遍化關(guān)系式及性質(zhì)劃分

在物理學(xué)和流體力學(xué)中，流體黏性和剪切應(yīng)力是兩個(gè)重要的概念。流體黏性是指流體抵抗剪切變形的能力，而剪切應(yīng)力則是流體在受到剪切力作用下產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。理解流體黏性和剪切應(yīng)力之間的關(guān)系對(duì)于解釋流體行為以及一些實(shí)際應(yīng)用是至關(guān)重要的。

流體的黏性可以通過剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系來描述。根據(jù)流體力學(xué)的基本理論，剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。這個(gè)關(guān)系可以用一個(gè)普遍的黏性模型來表示，即流體的黏性與剪切速率的乘積等于剪切應(yīng)力。這個(gè)關(guān)系式被稱為流體的黏滯性公式。

黏滯性公式可以表達(dá)為：τ = η * γ

其中，τ是流體的剪切應(yīng)力，η是流體的黏滯性，γ是流體的剪切速率。這個(gè)關(guān)系式可以用于描述各種不同類型的流體，包括牛頓流體和非牛頓流體。

牛頓流體是一種具有線性關(guān)系的流體，其黏滯性保持恒定。對(duì)于牛頓流體，黏滯性與剪切速率無關(guān)，剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。這意味著牛頓流體的黏滯性是一個(gè)固定的數(shù)值，無論剪切速率如何變化，剪切應(yīng)力的變化都可以通過黏滯性來解釋。

非牛頓流體則具有非線性關(guān)系，其黏滯性隨剪切速率的變化而變化。非牛頓流體可以分為剪切稀釋流體和剪切增稠流體兩種類型。

剪切稀釋流體是指隨著剪切速率的增加，流體黏滯性的值變小。這意味著在較高的剪切速率下，流體的流動(dòng)更容易，黏滯性減小。這種現(xiàn)象常見于高聚物溶液等流體。

剪切增稠流體則相反，它們的黏滯性隨著剪切速率的增加而增加。這意味著在較高的剪切速率下，流體的流動(dòng)變得更加困難，黏滯性增大。一些半固態(tài)物質(zhì)和某些液晶體就屬于這種類型的流體。

此外，流體的黏滯性還可以根據(jù)其響應(yīng)時(shí)間來進(jìn)行分類。流體的黏滯性取決于分子自身的運(yùn)動(dòng)能力和分子之間的相互作用。對(duì)于低黏滯性的流體，分子之間的相互作用較弱，分子能夠自由運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間較短。而高黏滯性的流體則反之。響應(yīng)時(shí)間對(duì)黏滯力有顯著的影響，時(shí)間越短，流體的黏滯性越低。

總結(jié)來說，流體黏性與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系可以用普遍化的黏滯性公式來描述。牛頓流體和非牛頓流體是兩種常見的流體類型，其黏滯性與剪切速率的關(guān)系不同。非牛頓流體可以進(jìn)一步分為剪切稀釋流體和剪切增稠流體兩種類型。此外，流體的黏滯性還與其響應(yīng)時(shí)間相關(guān)。深入理解流體黏性與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系對(duì)于解釋流體行為、設(shè)計(jì)流體系統(tǒng)以及一些實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。