Номер 4, страница 74 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

4. Каким образом сила внутреннего трения влияет на скорость течения жидкости в трубах?

Сила внутреннего трения, также известная как вязкость, является фундаментальным свойством жидкости, которое оказывает тормозящее действие на ее течение в трубах. Это влияние проявляется в нескольких ключевых аспектах:

1. Формирование профиля скоростей. Из-за трения между жидкостью и внутренней поверхностью трубы, слой жидкости, непосредственно контактирующий со стенкой, остается неподвижным. Этот эффект называется "условием прилипания". Этот неподвижный слой, в свою очередь, за счет сил внутреннего трения тормозит соседний, более удаленный от стенки слой жидкости. Тот, в свою очередь, тормозит следующий, и так далее. В результате скорость течения жидкости в трубе распределяется неравномерно по ее поперечному сечению. Она равна нулю у стенок и достигает своего максимального значения на оси (в центре) трубы. Такое распределение скоростей называется профилем скоростей. Для ламинарного (слоистого) течения этот профиль имеет параболическую форму.

2. Создание гидравлического сопротивления. Сила внутреннего трения действует между всеми слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, и направлена так, чтобы замедлить более быстрые слои и ускорить более медленные. Суммарное действие этих сил создает общее сопротивление потоку. Чтобы поддерживать течение жидкости с постоянной скоростью и преодолевать это сопротивление, необходимо непрерывно прикладывать внешнюю силу, которая обычно создается за счет перепада давления ($\Delta P$) на концах трубы.

3. Обратная зависимость скорости от вязкости. Величина силы внутреннего трения характеризуется коэффициентом вязкости ($\eta$). Чем больше вязкость жидкости, тем сильнее проявляется трение между ее слоями и тем большее сопротивление она оказывает течению. Следовательно, при одинаковом перепаде давлений, создающем поток, жидкость с большей вязкостью (например, глицерин) будет течь по трубе значительно медленнее, чем жидкость с меньшей вязкостью (например, вода). Эта зависимость для ламинарного течения в круглой трубе описывается законом Гагена-Пуазейля, из которого следует, что средняя скорость потока $v_{ср}$ обратно пропорциональна вязкости:

$v_{ср} = \frac{\Delta P \cdot R^2}{8 \eta L}$

где $R$ – радиус трубы, $L$ – ее длина, $\Delta P$ – перепад давления, а $\eta$ – динамическая вязкость жидкости. Как видно из формулы, увеличение вязкости $\eta$ приводит к уменьшению средней скорости течения $v_{ср}$.

Ответ: Сила внутреннего трения (вязкость) замедляет течение жидкости в трубе. Она создает неоднородный профиль скоростей, при котором скорость максимальна в центре потока и равна нулю у стенок. Чем больше сила внутреннего трения (чем выше вязкость), тем больше гидравлическое сопротивление потоку и, соответственно, тем ниже средняя скорость течения жидкости при прочих равных условиях.