流體的粘滯性

金仲輝

錢婷同學(xué)問：“用完的圓珠筆芯，如果向里面注入墨水，為什么書寫就不流利，甚至?xí)鴮懖怀鰜砟兀俊?/p>

為了更好地回答這個(gè)問題，從而理解有關(guān)問題中的一些知識(shí)，我們先來談?wù)劻黧w的粘滯性質(zhì).

流體是指能夠流動(dòng)的物質(zhì)，受力后很容易產(chǎn)生形變，氣體和液體都屬于流體.流體的重要性質(zhì)之一是它在運(yùn)動(dòng)中所呈現(xiàn)出來的粘滯性質(zhì).當(dāng)流體相鄰流層之間有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在接觸面上存在著切向的阻力，這種阻力稱為粘滯力（或稱內(nèi)摩擦力）；另外，流體具有粘附于同它接觸、并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固體表面的性質(zhì).流體的這些內(nèi)在性質(zhì)稱為粘滯性（或稱粘性）.

流體的粘滯性在日常生活中是容易看到的.例如，河道中流動(dòng)著的河水，不同的水層（水層面與河水表面垂直）有不同的流速.圖1示意河內(nèi)流水不同水層的流速分布情況.由于水粘附于河岸，所以河岸處水層的流速為零，而遠(yuǎn)離河岸的水層流速逐漸加大，河中央水層的流速最大.流速大的水層施于流速小的水層一個(gè)拉力，而流速小的水層施于流速大的水層一個(gè)阻力.在管道中流動(dòng)著的流體（氣體或液體）也有類似的情況.如果流體在截面為圓形的管道中流動(dòng)，那么在管壁處的流體層流速為零，靠近管道軸線越近的流體層（層的截面為圓形）流速越大，軸線處的流體層流速最大.由此我們也可了解，在長距離輸送油或水的途中，必須建立加壓站的原因.

描述流體粘滯性質(zhì)的物理量是粘滯系數(shù)η，它與溫度有密切的關(guān)系，對(duì)液體來說，η隨溫度升高而減小，對(duì)氣體恰好相反，它隨溫度升高而增大.

有了上述的知識(shí)，我們就很容易回答錢婷同學(xué)的問題.廠家生產(chǎn)的圓珠筆芯中用的專用墨水和筆芯頭部的鋼珠是配套的，即對(duì)專用墨水的粘滯系數(shù)有嚴(yán)格的要求，而且在低溫（如在冬天）和高溫（如在夏天）下書寫同樣流暢，而不是在低溫下，由于墨水的粘滯性系數(shù)增大，降低了墨水的流動(dòng)性無法書寫，和在高溫下，由于墨水的粘滯系數(shù)減小，增強(qiáng)了墨水的流動(dòng)性，在紙上流成一團(tuán)墨水無法書寫.而錢婷同學(xué)所用的墨水就未必符合要求，難怪書寫起來就不流暢.由此可看出，一支質(zhì)量好的圓珠筆芯，它的墨水的粘滯系數(shù)在日常的低溫至高溫范圍里，變化應(yīng)是很小的.還如，在野外使用的機(jī)器和汽車等使用的潤滑油的粘滯系數(shù)也應(yīng)在很寬的溫度內(nèi)變化很小.

測(cè)定流體的粘滯系數(shù)，在許多方面有重大的實(shí)際意義.例如，在輸送流體（水、石油和天然氣）的管道設(shè)計(jì)中，機(jī)器軸承潤滑油的選擇必須考慮粘滯系數(shù)的大小，而且由于粘滯系數(shù)與流體分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上常用它來測(cè)定蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量，還有人體中的不少病變（例如心血管病、急性炎癥等）中血液粘滯性變化很大，因此測(cè)定血液的粘滯系數(shù)可為病因診斷提供有價(jià)值的信息.

責(zé)任編輯 蔡華杰