§ 66. Трение в жидкостях и газах

При скольжении слоев жидкости или газа друг относительно друга возникают силы, направленные вдоль этих слоев, тормозящие движение и зависящие от скорости относительного движения слоев. Такие же силы всегда возникают и при движении твердых тел в жидкости или газе.

Вы стоите на платформе железной дороги (рис. 3.26). Мимо проходит поезд. При этом вы обязательно почувствуете ветер, сопровождающий движение поезда. Сила этого ветра тем больше, чем больше скорость поезда. Поезд как бы увлекает за собой воздух.

Рис. 3.26.

Тепловоз «везет» не только сам состав, но и большое количество окружающего воздуха.

Опустите ложку в банку с густым вареньем. Попробуйте ее вынимать вертикально вверх. Вы увидите, что вместе с ложкой начнут подниматься соседние слои варенья, и чем быстрее вы вынимаете ложку, тем больше варенья поднимается за ней.

При движении тела слои газа или жидкости как бы прилипают к поверхности этого тела и движутся вместе с ним. Поэтому силы сопротивления, возникающие при движении тел, являются такими же силами, которые действуют между движущимися слоями самого газа или жидкости.

Силы, возникающие при движении тел в газе или жидкости и зависящие от скорости их относительного движения, называются силами жидкого трения или силами сопротивления среды.

Силы трения всегда направлены в сторону, противоположную скорости относительного движения. Именно за счет действия таких сил возникает увлечение воздуха или жидкости в рассмотренных примерах. Увлечение воздуха силами трения можно наблюдать на следующем опыте.

Над столиком центробежной машины на небольшом расстоянии подвесим на нити картонный круг (рис. 3.27). При вращении столика круг начнет поворачиваться в ту же сторону, закручивая нить тем сильнее, чем больше будет скорость вращения машины.

Рис. 3.27.

Этот опыт говорит о том, что поверхность движущегося столика машины увлекает за собой прилегающие слои воздуха и заставляет их двигаться. В свою очередь пришедший в движение воздух начинает действовать на круг и заставляет его двигаться в том же направлении, в каком вращается столик.

Опыт наглядно показывает и то, что трение растет с увеличением скорости относительного движения слоев воздуха или, что то же самое, с увеличением скорости вращения круга. Об этом говорит увеличение угла закручивания нити при нарастании скорости вращения столика машины.

В общем виде закон, связывающий силу жидкого трения со скоростью движения тел относительно жидкости или газа, очень сложен и для больших скоростей не может быть передан простой формулой. Для движения тел с малыми скоростями, которые будем рассматривать мы, можно считать, что сила жидкого трения, действующая на движущиеся в жидкости или газе тела, пропорциональна скорости относительного движения этих тел. Учитывая, что направления скорости и силы жидкого трения противоположны, можно написать:

Коэффициент пропорциональности а называется коэффициентом жидкого трения или коэффициентом сопротивления среды. Его значение зависит от размеров и формы движущегося тела, а также от свойств жидкости или газа.

Это уравнение в дальнейшем будет использоваться при решении задач как дополнительное, выражающее особые свойства сил жидкого трения. Для примера рассмотрим задачу о движении парашютиста.