導讀：討論三問題-1.粘性的定義；2.粘性的本質(zhì)；3.粘性的作用。粘性的定義

粘(nian)性不是粘(zhan)性，粘(zhan)性是分子吸附力，而我們討論的粘(nian)性是流體的屬性。
粘性就是流體阻礙自身流動的特性，粘性是流體持續(xù)剪切變形時內(nèi)部產(chǎn)生剪切力的性質(zhì)。因此粘性力只有在流動中才會有的力，靜止時沒有粘性力。流體內(nèi)部的粘性力與固體之間的摩擦力比較相似，固體之間可以有靜摩擦力和動摩擦力，而流體內(nèi)部沒有靜摩擦力，只有動摩擦力，也就是粘性力。

 

對于水珠可以靜止存在豎直壁面上，似乎水珠與壁面存在靜態(tài)剪切力，才能夠?qū)崿F(xiàn)。但這里主導水珠平衡的其實是表面張力，表面張力并不是粘性力，主要區(qū)別在于：一是表面張力可以在靜止時存在；二是表面張力是拉力。表面張力只存在于流體的表面上。

 

那么壁面上的水珠又是如何保持平衡？如果是固體，就是材料力學典型的懸臂結構，與重力平衡的是由壁面處的剪切力產(chǎn)生的。但靜止流體不存在剪切力，與重力平衡的是水珠表面一圈與固體接觸處的吸附力提供了向上的分力。而墻壁對水珠的支撐力則提供了向右的分力。力的平衡關系如下圖所示。表面張力的作用是在水珠表面形成薄膜，包裹內(nèi)部的水，水珠內(nèi)部只有壓力作用。

 

進一步說明前面提到三種種力的區(qū)別：附著力是一種靜態(tài)力，存在于固體或液體的接觸面；表面張力也是一種靜態(tài)力，存在于液體自由表面；粘性力是一種動態(tài)力，存在于發(fā)生持續(xù)剪切變形的流體內(nèi)部。

因此有以下幾個結論：

• 氣體分子間沒有力，所以沒有表面張力。

• 表明張力與粘性力之間基本無關。

• 只要與固體或液體接觸，就會有吸附力存在，由于吸附力存在，在這些表面上流體分子會被吸住，形成所謂的“無滑移條件”，即流體與固體沒有相對運動。流體與固體之間的摩擦力，其實是流體內(nèi)部的摩擦力

粘性的本質(zhì)


粘性在宏觀上表現(xiàn)為流體之間的動摩擦力。這是牛頓研究粘性的實驗，兩壁面之間充滿流體，向右拉動上壁面運動，流體就會形成一種如圖所示的分層流動。取流體中的一塊矩形區(qū)域來分析。很顯然，方塊上表面受向右的切應力，下表面受向左的切應力。牛頓的結論是，這個切應力與速度梯度稱正比:  ，  可以表示變形率，這樣就得到粘性力與流動的關系，這個關系就是牛頓粘性定律，  是粘性系數(shù)，代表流體粘性的大小。根據(jù)流體是否滿足牛頓粘性定律，流體分為牛頓流體與非牛頓流體(如糖漿、血液)。

 

從微觀上，粘性是由于分子之間的作用產(chǎn)生的。下圖，紅色分子表示上層速度快的流體，藍色分子表示下層速度慢的流體，兩層之間互相牽扯和擠壓，就產(chǎn)生了粘性剪切力。這種牽扯和擠壓伴隨著化學鍵的形成破壞。這與固體之間的摩擦力是類似的。不同的是流體分子的上下層存在摻混作用。

 

雖然氣體分子相距較遠，但氣體也是有摩擦力，所以有粘性。氣體的粘性力，與分子的熱運動有關。由于熱運動，上下層氣體之間分子交換頻繁，上層的分子跳到下層后，就會帶動下層分子。而上層的分子跳到下層后，就會阻礙上層的分子，宏觀上就體現(xiàn)為上下層之間的剪切力。

 

由于液體和氣體的粘性產(chǎn)生機理在本質(zhì)上不太一樣，因此當溫度變化時，它們的變化規(guī)律也是不同。溫度升高液體分子間形成臨時化學鍵可能性變小，所以液體的粘性隨著溫度的升高而減小。同樣隨著溫度的升高，氣體分子的熱運動就會加強，碰撞機會更大，所以氣體的粘性隨著溫度的升高而增大。

流體中粘性系數(shù)有兩種定義方式：

  是流體的動力粘性系數(shù)，表示相同變形率時的粘性大小：    是流體的運動粘性系數(shù)，代表的是流體具有相同加速度時粘性大小： 可以比較水跟空氣的粘性系數(shù)，可以看出水的粘性系數(shù)比空氣大得多，但運動粘性系數(shù)更小，那兩個粘性哪個更大?如果一個物體以相同速度在水或空氣中運動，肯定水的阻力大，但這種阻力大的主要原因是水的密度大，按照相同加速度來比較合理。如果只考慮流體自身的運動，應該關注的是運動粘性系數(shù)。正因為水與空氣的運動粘性系數(shù)相差不大，流體力學中某些現(xiàn)象本來是在空氣中，卻可以在水中實驗。

 

粘性的作用

只有發(fā)生連續(xù)剪切變形才需要考慮粘性剪切力。變形又可以分為：平動、轉(zhuǎn)動、膨脹、剪切變形。前兩種是剛體作用不會產(chǎn)生內(nèi)應力，第三種體積均勻改變，流體內(nèi)部只是正壓力發(fā)生變化，只有第四種剪切變形會產(chǎn)生剪切力。

 

空氣在機翼附近處運動，由于氣體與固體表面存在吸附力，表面那一層氣體分子被粘在機翼上，離開機翼較遠處，氣流則保持較高速度。因此會存在這樣一層，其內(nèi)部氣流有較大的橫向速度梯度，如圓圈所示，這部分粘性力比較大，稱為有粘區(qū)。而較遠處速度梯度很小，粘性力可以忽略不計，這些區(qū)域稱為無粘區(qū)。

 

粘性力是流體中的摩擦力，所以粘性的重要作用是產(chǎn)生阻力。在機翼附近處阻力部分是由于氣流的摩擦力造成的，由于機翼存在一定的迎風面積，因此部分阻力是表面壓力在流向上的投影，這部分阻力稱為壓差阻力，經(jīng)常比摩擦阻力還要大。

比較不同形狀物體受到的阻力。把物體放在固定流速的流體中，逐漸減小流體的粘性，觀察阻力變化。可以看到，如果是處置放置平板，阻力與粘性無關，因為其阻力全部為迎風面和背風面的壓差造成，而順流放置平板，剛開始阻力隨粘性增大而減小，但粘性減小到一定程度后，阻力突然增大，球體的變化則更加復雜，造成這種現(xiàn)象的原因與兩個因素有關：一是湍流；二是流動分離。

 

正因為粘性的存在，使得下雨與冰雹不至于對人產(chǎn)生危險，但同時霧霾也是通過空氣阻力“浮”在空中。