Ламінарна і турбулентна течія рідини: опис, особливості та цікаві факти

Гідродинаміка є найважливішим розділом фізики, який вивчає закони руху рідини в залежності від зовнішніх умов. Важливим питанням, яке розглядається в гідродинаміці, є питання визначення ламінарного і турбулентного плину рідини.

Що таке рідина?

Щоб краще зрозуміти питання ламінарного і турбулентного плину рідини, необхідно для початку розглянути, що являє собою ця субстанція.

Рідиною у фізиці називають одне з 3-х агрегатних станів матерії, яка при заданих умовах здатне зберігати свій обсяг, але яка при впливі мінімальних тангенціальних сил змінює свою форму і починає текти. На відміну від твердого тіла, рідини не виникають сили опору зовнішнього впливу, які б прагнули повернути вихідну форму. Від газів ж рідина відрізняється тим, що вона здатна зберігати свій об’єм при постійному зовнішньому тиску і температурі.

Параметри, що описують властивості рідин

Питання ламінарного і турбулентного протягом визначається, з одного боку, властивостями системи, в якій розглядається рух рідини, з іншого ж боку, характеристиками текучою субстанції. Наведемо основні властивості рідин:

  • Щільність. Будь-яка рідина є однорідною, тому для її характеристики використовують цю фізичну величину, яка відображає кількість текучої маси субстанції, яка припадає на її одиницю об’єму.
  • В’язкість. Ця величина характеризує тертя, яке виникає між різними шарами рідини в процесі її перебігу. Так як в рідинах потенційна енергія молекул приблизно дорівнює їх кінетичної енергії, то вона обумовлює наявність певної в’язкості в будь-яких реальних текучих субстанціях. Це властивість рідин є причиною втрати енергії в процесі їх перебігу.
  • Стисливість. При збільшенні зовнішнього тиску всяка рідка субстанція зменшує свій об’єм, проте, для рідин цей тиск має бути достатньо велика, щоб трохи зменшити обсяг займаний ними, тому для більшості практичних випадків, це агрегатний стан вважають нестисливої.
  • Поверхневий натяг. Ця величина визначається роботою, яку необхідно затратити, щоб утворити одиницю поверхні рідини. Існування поверхневого натягу обумовлено наявністю сил міжмолекулярної взаємодії в рідинах, і визначає їх капілярні властивості.

Ламінарна течія

Вивчаючи питання турбулентного і ламінарного течії, розглянемо спочатку останнім. Якщо для рідини, яка знаходиться в трубі, створити різниця тисків на кінцях цієї труби, то вона почне текти. Якщо протягом субстанції є спокійним, і кожні її шар переміщається уздовж плавної траєкторії, яка не перетинає лінії руху інших верств, тоді говорять про ламінарному режимі течії. Під час нього кожна молекула рідини переміщається уздовж труби по певній траєкторії.

Особливостями ламінарного плину є наступні:

  • Перемішування між окремими шарами текучою субстанції не існує.
  • Шари, що знаходяться ближче до осі труби, рухаються з більшою швидкістю, ніж ті, які розташовані на її периферії. Цей факт пов’язаний з наявністю сил тертя між молекулами рідини і внутрішньою поверхнею труби.

Прикладом ламінарного течії є паралельні струмені води, які витікають з душу. Якщо в ламінарний потік додати кілька крапель барвника, то можна бачити, як вони витягуються в струмінь, яка продовжує своє плавне протягом, не перемішуючись в об’ємі рідини.

Турбулентний плин

Цей режим кардинальним чином відрізняється від ламінарного. Турбулентний плин являє собою хаотичний потік, в якому кожна молекула рухається по довільній траєкторії, яку можна передбачити лише в початковий момент часу. Для цього режиму характерні завихрення і колоподібні рухи невеликих обсягів у потоці рідини. Тим не менш, незважаючи на хаотичність траєкторій окремих молекул, загальний потік рухається в певному напрямку, і цю швидкість можна характеризувати деякою середньою величиною.

Прикладом турбулентної течії є потік води в гірській річці. Якщо крапнути барвник у такий потік, то можна бачити, що в початковий момент часу з’явиться струмінь, яка почне відчувати спотворення і невеликі завихрення, а потім зникне, перемішавшись в усьому об’ємі рідини.

Від чого залежить режим течії рідини?

Ламінарний або турбулентний режими течії залежать від співвідношення двох величин: в’язкості текучого субстанції, що визначає тертя між шарами рідини, і інерційних сил, які описують швидкість потоку. Чим більш в’язка субстанція, і чим менше швидкість її течії, тим вище ймовірність появи ламінарного потоку. Навпаки, якщо в’язкість рідини мала, а швидкість її пересування велика, то потік буде турбулентним.

Нижче наводиться відео, яке наочно пояснює особливості розглянутих режимів течії субстанції.

Як визначити режим течії?

Для практики це питання дуже важливе, оскільки відповідь на нього пов’язаний з особливостями руху об’єктів в текучого середовища і величиною енергетичних втрат.

Перехід між ламінарним і турбулентним режимом течії рідини можна оцінити, якщо використовувати так звані числа Рейнольдса. Вони є безрозмірною величиною і названі на честь прізвища ірландського інженера і фізика Осборна Рейнольдса, який наприкінці XIX століття запропонував їх використовувати для практичного визначення режиму руху текучою субстанції.

Розрахувати число Рейнольдса (ламінарна і турбулентна течія рідини в трубі), можна за такою формулою: Re = ρ*D*v/μ, де ρ і μ — щільність і в’язкість субстанції, відповідно, v — середня швидкість її течії, D — діаметр труби. У формулі чисельник відображає інерційні сили або потік, а знаменник визначає сили тертя або в’язкість. Звідси можна зробити висновок, що, якщо число Рейнольдса для розглянутої системи має більшу величину, значить, рідина тече в турбулентному режимі, і навпаки, маленькі числа Рейнольдса говорять про існування ламінарного потоку.

Конкретні значення чисел Рейнольдса та їх використання

Як було сказано вище, можна використовувати для визначення ламінарного і турбулентного плину число Рейнольдса. Проблема полягає в тому, що воно залежить від особливостей системи, наприклад, якщо труба буде мати нерівності на своїй внутрішній поверхні, то турбулентний плин води в ній почнеться при менших швидкостях потоку, ніж гладкою.

Статистичні дані багатьох експериментів показали, що незалежно від системи і природи текучою субстанції, якщо число Рейнольдса менше 2000, то має місце ламінарна рух, якщо ж воно більше 4000, то потік стає турбулентним. Проміжні значення чисел (від 2000 до 4000) говорять про наявність перехідного режиму.

Зазначені числа Рейнольдса використовуються для визначення руху різних технічних об’єктів і апаратів у текучих середовищах, для дослідження течії води по трубах різної форми, а також відіграють важливу роль при вивченні деяких біологічних процесів, наприклад, рух мікроорганізмів в кров’яних судинах людини.