对于水珠可以静止存在竖直壁面上,似乎水珠与壁面存在静态剪切力,才能够实现。但这里主导水珠平衡的其实是表面张力,表面张力并不是粘性力,主要区别在于:一是表面张力可以在静止时存在;二是表面张力是拉力。表面张力只存在于流体的表面上。
那么壁面上的水珠又是如何保持平衡?如果是固体,就是材料力学典型的悬臂结构,与重力平衡的是由壁面处的剪切力产生的。但静止流体不存在剪切力,与重力平衡的是水珠表面一圈与固体接触处的吸附力提供了向上的分力。而墙壁对水珠的支撑力则提供了向右的分力。力的平衡关系如下图所示。表面张力的作用是在水珠表面形成薄膜,包裹内部的水,水珠内部只有压力作用。
进一步说明前面提到三种种力的区别:附着力是一种静态力,存在于固体或液体的接触面;表面张力也是一种静态力,存在于液体自由表面;粘性力是一种动态力,存在于发生持续剪切变形的流体内部。
因此有以下几个结论:
气体分子间没有力,所以没有表面张力。
表明张力与粘性力之间基本无关。
只要与固体或液体接触,就会有吸附力存在,由于吸附力存在,在这些表面上流体分子会被吸住,形成所谓的“无滑移条件”,即流体与固体没有相对运动。流体与固体之间的摩擦力,其实是流体内部的摩擦力
从微观上,粘性是由于分子之间的作用产生的。下图,红色分子表示上层速度快的流体,蓝色分子表示下层速度慢的流体,两层之间互相牵扯和挤压,就产生了粘性剪切力。这种牵扯和挤压伴随着化学键的形成破坏。这与固体之间的摩擦力是类似的。不同的是流体分子的上下层存在掺混作用。
虽然气体分子相距较远,但气体也是有摩擦力,所以有粘性。气体的粘性力,与分子的热运动有关。由于热运动,上下层气体之间分子交换频繁,上层的分子跳到下层后,就会带动下层分子。而上层的分子跳到下层后,就会阻碍上层的分子,宏观上就体现为上下层之间的剪切力。
由于液体和气体的粘性产生机理在本质上不太一样,因此当温度变化时,它们的变化规律也是不同。温度升高液体分子间形成临时化学键可能性变小,所以液体的粘性随着温度的升高而减小。同样随着温度的升高,气体分子的热运动就会加强,碰撞机会更大,所以气体的粘性随着温度的升高而增大。
流体中粘性系数有两种定义方式:
粘性力是流体中的摩擦力,所以粘性的重要作用是产生阻力。在机翼附近处阻力部分是由于气流的摩擦力造成的,由于机翼存在一定的迎风面积,因此部分阻力是表面压力在流向上的投影,这部分阻力称为压差阻力,经常比摩擦阻力还要大。
比较不同形状物体受到的阻力。把物体放在固定流速的流体中,逐渐减小流体的粘性,观察阻力变化。可以看到,如果是处置放置平板,阻力与粘性无关,因为其阻力全部为迎风面和背风面的压差造成,而顺流放置平板,刚开始阻力随粘性增大而减小,但粘性减小到一定程度后,阻力突然增大,球体的变化则更加复杂,造成这种现象的原因与两个因素有关:一是湍流;二是流动分离。
正因为粘性的存在,使得下雨与冰雹不至于对人产生危险,但同时雾霾也是通过空气阻力“浮”在空中。