§ 34. Молекулярные эффекты

Молекулярное строение жидкостей объясняет многие явления в динамике реальных жидкостей — не только наличие особых полос частот при поглощении ультразвуковых волн, указанное в § 33. Насильственным и неестественным было бы исследование многих таких явлений в рамках ортодоксальной механики континуума.

Например, при оценке толщины фронта ударной волны необходимо учитывать время релаксации в тех жидкостях, в которых подобные молекулярные явления типа гистерезиса оказывают влияние на величину «второй» вязкости (см. прим. 2) на этой стр.). (В классической теории механики континуума толщина фронта ударной волны предполагается равной нулю.)

В верхних слоях атмосферы, где очень мала плотность (давление), время релаксации при существенно влияет на величину отхода ударной волны от движущегося тела.

Кроме того, молекулярная диссоциация, рекомбинация молекул и ионизация влияют на толщину ударной волны в гиперзвуковом потоке; действительно, они в значительной мере влияют на движение жидкости в случае, когда при обычных атмосферных условиях число Маха Так, воздух содержит 1% NO при 2000° К и 10% NO при 3000° К. При температурах свыше 11 000° К становится ощутимой ионизация.

По этой причине при реалистическом подходе к изучению гиперзвуковых ударных волн все в большей мере надо учитывать химическую физику.

Ортодоксальная механика континуума не в силах также объяснить физическое явление диффузии и обратное ему — разделение составной жидкости или газа на свои компоненты, например отделение сливок от молока. В идеальном континууме отделение изотопов не было бы возможно ни с помощью газовой диффузии, ни в центрифугах, ни в соплах.

Скольжение жидкости. Совсем иначе используются молекулярные представления при объяснении нарушения граничного условия (прилипания жидкости) (6), когда средняя длина свободного пробега молекулы сравнима с макроскопическими размерами. Можно отметить при этом три важных частных случая: течение через щели, свободное падение мельчайших капель (опыт Милликена с каплей масла) и торможение спутника. Во всех этих случаях весьма заметно отклонение от законов механики континуума: наблюдаемые усилия сдвига значительно меньше, чем предсказываемые формулами (13) и (15).

Легче всего истолковать указанные явления как вызванные частичным нарушением условия (6). В предельном случае «зеркального отражения» всех молекул (угол падения равен углу отражения) напряжение сдвига на границе, очевидно, должно равняться нулю. Таким образом, условие (6) логично заменить условием непрерывности нормальной составляющей скорости (гл. 1, (7)), свойственным невязкому течению. Так как

для любого безвихревого несжимаемого потока, любое решение задачи Неймана (течение Жуковского или Эйлера) должно удовлетворять уравнениям Навье — Стокса (5). Таким образом, учет зеркального отражения должен был бы вызвать полный пересмотр теории вязких течений.

Для объяснения экспериментальных фактов вместо понятия зеркального отражения вводят квазиэмпирический «коэффициент аккомодации». Пользуясь таким коэффициентом и учитывая постулируемое в кинетической теории газов конечное значение средней длины свободного пробега, были получены результаты, в общем согласующиеся с данными эксперимента.

«Скольжение» в течении разреженного газа нельзя смешивать с представлениями девятнадцатого столетия об общем скольжении на границе весьма гладких твердых тел (например, по стеклу). Так, Стокс считал, что «скольжение» должно наступать начиная с определенной скорости, тогда как многие другие выдающиеся ученые воздерживались от высказываний по этому вопросу. Ввиду многих особенностей физики поверхностей такое положение не слишком удивительно. Подтверждением взглядов Стокса могла быть и предполагаемая аналогия с трением твердых тел, при котором напряжение сдвига ограничено произведением постоянной на нормальное давление. Даже в настоящее время, несмотря на то что подавляющее число фактов свидетельствует против аналогии с понятием общего скольжения, всеобщей и абсолютной уверенности в этом вопросе пока не достигнуто.