粘性——將前進的動能化作無序的熱運動
什么是粘性
發生相對運動或有相對運動趨勢時阻礙相對運動的作業一般稱之為粘性。流體的粘性與相對運動速度的梯度成正比,在一定厚度的流動中,相對速度越大粘性越大。
地面是有粘性的,我們要克服地面對箱子粘性產生的摩擦力才能推動箱子。
膠水是有粘性的,可以粘住我們的手指不讓手指脫離膠水。
水是有粘性的,游泳時前進如此困難是因為水擁抱著我們的身體,不讓身體滑向前方。
空氣是有粘性的,跑步時,空氣裹著身體不讓我們前進用粘性拖住我們的腳步。
粘性作用只發生在有強相對運動的地方,飛機在空中飛過,空氣是靜止的,與快速前進的飛機,形成很強的相對運動,飛機表面粘住空氣分子前進,空氣分子偏要拖著飛機停下來,空氣分子吸著飛機表面,高喊“不要走、不要走,留下了一起玩”,死活不撒手。
這就是“表面無滑移條件”,貼著表面的流體,運動速度與表面一致。
飛機表面只好拽著空氣分子前行,把一部分飛行的動能傳給了空氣帶著少量的空氣一起飛,同時擾亂了空氣分子平靜的生活帶來附加的無序混亂,分子被攪合的加強了熱運動,將飛機前行的動能轉化為無序的熱運動,這就是飛機的粘性摩擦損失。
如果空氣沒有粘性,飛機表面的空氣分子不去粘飛機,你跑你的,我保持平靜,不被吸引。這是“表面可滑移條件”,貼著表面的流體,可以不與表面以相同速度前行,無粘性就不會產生摩擦力,飛機可以在空中持續飛行也不用燒油了。
氣體對氣體的相對流動,粘性又如何作用呢。例如一股氣體射入大氣中,猶如閱兵隊伍的方隊要從密集的人群中穿過。本來方隊步調一致前進,沒有任何內耗,外圍人群里有要拍照的、有要握手的、有要問好的,方隊外層很快就被人群拖住,靠近方隊的人群也會跟著方隊加快步伐,這個混雜層就是“剪切層”或者“摻混層”,其運動速度是中間速度,而且特別不穩定,說不準就會掀起小小的撞擊、摻混、旋轉,進一步沖擊中間的方隊。如果方隊比較小,人群的粘性作用逐步滲入,走不出多遠方隊就會混入人群,不再成之為方隊了。就如氣體射流在粘性作用下被大氣快速剪切、摻混,很快射流混入大氣中不復存在。
高速氣流射入靜止的水中(我的仿真結果)
氣體與水的相對運動,水的粘性更大,高速氣流射入靜止的水中,射流與水的摻混界面快速卷曲、擴大,射流很快與水混為一體,將前進的速度化為混亂的騷動,這就是粘性的力量。
在流體的內部粘性同樣扮演重要的角色,如果流動中產生了大大小小的漩渦,不能整齊劃一地喊著一二一地齊步向前進,粘性天生要抵御相對運動,通過分子之間的吸引力,你拽著我、我拽著你,消耗集體的前進速度,在相對運動中將動能消耗為熱能。
湍流消耗能量大,是在流體內部被卷起大大小小的層層漩渦,漩渦小到耗散渦的尺度,在極其小的空間充滿不協調的運動,分子相互吸引、碰撞,運動進一步無序,將漩渦的動能完全化為內部溫度的提升。
任何相對運動都要付出代價,和你越親密的外圍環境,粘住你的力量越大。這些粘性會從外圍擾亂到內部,逐步消化前進的動力,如果沒有持續的推進,就會消耗殆盡,最后與外環境保持一致。
如果內部有了無數不統一的方向,粘性會將更多的分子粘連進來,相互牽制,相互沖擊,將前進的動力化作無序的熱運動。
一個高效率的系統不能內部過熱,能力應當用來加快前進速度,不要通過分子之間的粘性化作無序的熱運動,雖然溫度提高了,但是熱鬧總歸是無用的浪費。
不要忽視外圍的粘性,他會在個體對個體的分子層面,從很薄的“剪切層”一點點發展到你的內部,只有不斷補充能量提高中心地帶的前進速度,才能不被外圍的粘性蠶食。
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抱歉我這里只提供瞎說,不敢向你要打賞,有錢去買這本書吧。(老板,這里不賣書)
本文轉自我的微信公共號“陸姐說”, 掃一掃

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