ВЯЗКОСТЬ

ВЯЗКОСТЬ (внутреннее трение) — свойство жидкостей, газов и твердых тел оказывать сопротивление течению при перемещении одной частицы относительно другой. В жидкостях при воздействии внешних сил, начиная с очень малых, возникает необратимое изменение формы, или течение. Если в текущей жидкости выделить слой толщиной dx, ограниченный двумя воображаемыми параллельными плоскостями, площади к-рых равны S, причем относительная скорость движения частиц у поверхности одной из них по сравнению с движением у поверхности другой равна dv, то F — силу сопротивления жидкости, направленную в сторону, противоположную относительному перемещению слоев, можно найти по уравнению Ньютона:

F = ηS(dv/dx) (1)

Величину, выражающую отношение F/S=τ , называют напряжением сдвига, а величину dv/dx = ε — скоростью относительного сдвига. Величина η — коэффициент вязкости, или просто вязкость (динамическая вязкость), является количественной характеристикой указанного выше свойства жидкостей: чем выше В., тем больше сопротивление, оказываемое жидкостью при данных скоростях относительного перемещения слоев. Величина, обратная В., называется текучестью. За единицу измерения В. в системе СИ принят н×сек/м² в системе СГС — пуаз (пз) или сантипуаз (спз). Наряду с динамической вязкостью применяют понятие «кинематическая вязкость» (v); единица измерения — стокс (ст). При этом v=η/d , где d — значение плотности.

От В. зависит скорость течения жидкостей в трубках и капиллярах, что определяется формулой Гагена — Пуазейля:

где Q — объем жидкости, протекающей в единицу времени через узкую трубку (капилляр) радиусом r и длиной l; Δp — разность давлений на обоих концах трубки. Формула Гагена — Пуазейля используется при расчетах В. в условиях смачивания жидкостью стенок капилляра или трубки и ламинарного течения жидкости, когда слои перемещаются параллельно друг другу и отсутствует завихрение жидкости.

Обычно В. растворов выше В. растворителей. Особенно быстро увеличивается В. с увеличением содержания в растворе высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов и т. д.). При значительных концентрациях высокомолекулярных соединений наблюдается аномалия В.— явление, заключающееся в том, что В. снижается с ростом значения т или 8. Жидкие вещества с таким характером течения называют неньютоновскими. К ним относятся также концентрированные суспензии и эмульсии, кровь, синовиальная жидкость. Переменная В. неньютоновских жидкостей называется эффективной В. Ньютоновскими называют жидкости с постоянной В. (вода, спирт, вазелиновое масло и т. п.).

Вязкость крови является объектом исследований в связи с изучением различных проблем свертываемости крови, микроциркуляции в норме и патологии (см. Микроциркуляция, Свертывающая система крови). Данные о В. крови используются при конструировании аппаратуры для искусственного кровообращения (см. Искусственное кровообращение, аппараты). Кровь является типичной неньютоновской жидкостью. Для выяснения влияния на В. отдельных факторов (температуры, давления и др.) измерение В. проводят при одинаковых условиях (одинаковых напряжениях и скоростях сдвига). Установлено, что В. крови и плазмы существенно зависит от содержания белков и форменных элементов, гл. обр. эритроцитов. С ростом гематокритного числа (см.) В. повышается. В. крови и плазмы является одним из важных клинических показателей, характеризующих систему фибриногена и глобулинов. Неньютоновский характер течения крови усиливается при патологических состояниях типа тромбозов, при обезвоживании и др. Предложено несколько теоретических и эмпирических уравнений, связывающих В. крови с указанными факторами; при этом предполагается, что эритроциты недвижущейся крови или при низких скоростях сдвига образуют агрегаты. В. плазмы меньше зависит от условий течения. Среднее значение В. плазмы практически здоровых людей при t° 25° составляет 1,64 спз (0,00164 н-сек/м²) и мало зависит от возраста, режима питания и пола. В. плазмы при хроническом ревматоидном артрите повышается по сравнению с нормой в среднем на 15 — 20%, в подостром периоде — на 35—40%, а в остром — па 65—70%. Резким возрастанием В. плазмы и крови вследствие высокого уровня белка в плазме сопровождаются миеломная болезнь (см.) и макроглобулинемия (см. Вальденстрема болезнь). В. крови повышается также при атеросклерозе, инфаркте миокарда (см.), сахарном диабете (см. Диабет сахарный) и венозных тромбозах (см. Тромбоз). Понижение В. наблюдается при циррозах печени (см.). Количественные данные о В. крови в сочетании с результатами других клинических анализов могут быть использованы для машинной диагностики (см. Диагностика машинная).

Совокупность методов измерения В. называется вискозимeтриeй, а приборы, предназначенные для измерения В.,— вискозиметрами.

Рис. 1. Капиллярный вискозиметр Оствальда: 1 — резервуар для исследуемой жидкости; 2 — капилляр; 3 — резервуар для сбора жидкости, текущей через капилляр из резервуара (1).

Рис.2. Вискозиметр со свободно плавающим цилиндром: 1 — мотор с редуктором; 2 — роторная насадка; 3 — свободно плавающий цилиндр; 4 — неподвижный цилиндр; I — передаточная жидкость; II — испытуемая жидкость.

В капиллярных вискозиметрах В. оценивают по объему жидкости, протекающей за единицу времени через капиллярную трубку под действием известного перепада давлений. В нек-рых конструкциях этот перепад создается за счет веса столба испытуемой жидкости — вискозиметр Оствальда (рис. 1), в других обеспечивается внешним источником давления. Если известны геометрические размеры капилляра, то для ньютоновских жидкостей можно определять абсолютные значения В. по формуле (2). Капиллярная вискозиметрия иногда используется в клинической практике для приблизительной оценки В. крови. По данным вискозиметрии разбавленных растворов высокомолекулярных соединений (см.) вычисляют их молекулярный вес (массу). Применение капиллярных вискозиметров для изучения неньютоновских жидкостей затруднительно. Для нахождения зависимости эффективной В. от напряжения или скорости сдвига предпочтительнее использовать ротационный вискозиметр, в к-ром исследуемую жидкость помещают в зазор между соосными цилиндрами или конусами (могут быть применены и другие поверхности вращения, располагаемые соосно). Один из цилиндров или конусов (чаще всего внутренний) прикрепляют к динамометру, а другой приводят во вращение с определенной угловой скоростью. Вследствие вязкого сопротивления жидкости, заключенной между цилиндрами или конусами, возникает момент вращения; В. оценивают по величине момента вращения. Для изучения биол, жидкостей применяют также вискозиметры, в к-рых внутренний цилиндр свободно плавает в испытуемой жидкости. В. жидкости оценивают по угловой скорости свободно плавающего цилиндра, к-рый может быть приведен во вращение магнитом, взаимодействующим с железным сердечником, помещаемым внутри цилиндра, или роторной насадкой, погружаемой в передаточную жидкость, заливаемую в полый внутренний цилиндр (рис. 2). Биол, жидкости ньютоновского типа можно изучать с помощью методов, в к-рых В. оценивают по скорости затухания колебаний (к их числу относятся ультразвуковые вискозиметры, позволяющие вести непрерывный контроль за В.), по скорости скатывания
шарика в цилиндрической трубке (вискозиметр Гепплера) и по скорости падения шарика в вязкой среде; в этом случае В. вычисляют по формуле:

где V — скорость падения шарика в испытуемой жидкости, имеющей плотность d1; r — радиус шарика, d — плотность материала шарика, g — ускорение силы тяжести.

Библиогр.: Белкин И. М., Виноградов Г. В. и Леонов А. И. Ротационные приборы, Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов, М., 1968; Захарченко В. Н. и др. Измерение вязкости крови вискозиметром со свободно плавающим цилиндром, Лаборат, дело, № 11, с. 662, 1971; L arca η А. et Stoltz J. F. Microcirculation et hemorheologie, P., 1970.

B. H. Захарченко.