正文 第二章 液體的流動(二)(1 / 1)

第二節實際流體的流動

實際流體在流動時總有內摩擦,表現出粘滯性。這種粘滯性流體不同於理想流體,它在流動過程中有非保守力做工,消耗能量(機械能),因此前麵講過的柏努利方程不足以說明粘滯性流體的流動規律。我們需要建立一些新的概念和公式。

一、片流

甘油是粘滯性液體,如果在一支豎直的滴定管中倒入無色甘油,在上麵再加人著色的甘油,然後打開下端的活塞讓甘油流出,經一定時間後,兩部分甘油的交界麵呈現出舌形界麵,可以看出,從管壁到管心各層的流速是不相同的,管中心處流速最大,越靠近管壁流速越小,最靠近管壁的一層附著在管壁上而流速為零。這種現象說明管內液體是分層流動的。

二、實際流體的粘滯性

實際流體作片流時,相鄰兩層流體作相對滑動時,兩層之間存在著切向的相互作用力,流速快的慢的一層以拉力,慢的一層給快的一層以阻力,這一對相互作用力稱為內摩擦力或粘滯力化液體的內摩擦力是由分子間的相互作用力引起的。粘滯性液體在作穩定流動(片流)時。

凡是服從這一關係式的液體叫做牛頓液體,不服從這一關係式的液體叫做非牛頓液體。水是牛頓液體,血液因包含有血細胞,說來不是牛頓液體,但可以認為近似牛頓液體,它的粘滯係數不是常量,隨許多因素而變化,除速度梯度和溫度以外,主要的有血細胞比容和管半徑。

血液的粘滯係數與血液中含有的血細胞多少有密切關係。對於一定容積的血液,其中血細胞容積所占的百分比,即血細胞總容積血液總容積,叫做該血液的血細胞比容。我國一般男性的血細胞比容為40~50%,女性的為37~48%,血細胞增多症或貧血症都會引起血細胞比容發生變化。血細胞比容大時將使血液的粘滯係數隨之增大,血細胞比容小時將使血液的粘滯係數隨之減小。表示血的相對粘度與血細胞比容的關係。所謂血液的相對粘度是指在任何溫度時血液的粘滯係數與同溫度水的粘滯係數的比值。從圖中可以看出血液的相對粘度與血細胞比容有密切關係,血細胞比容愈大,血液的相對粘度愈大,它們之間並不恰好是正比關係。血細胞比容愈大時,曲線的斜率愈大,說明血細胞比容愈大時,它的變化對血液相対粘度影響愈大。

管半徑對血被的粘滯係數也有影響。水在不同半徑的管中流動時,其粘滯係數保持不變。當血液在細管中流動時,血液沾粘滯係或隨管半徑的減小將顯著下降,這種現象稱為法林效應。

三、湍流

當液體的流速增大到一定數值以後,液體將失去原先的穩定狀態,並產生了垂直於管軸的分速度,外層的液體粒子不斷卷人內層,各層流體相互混雜,流動極不規則,這種流動稱為瑞流。

就生物傳輸係統的管徑和流速來看,其值已低到不應產生湍流的程度。血管中的血液流速以主動脈最大。

因此主動脈中的血流應為層流。但在心髒的收縮開始射血期內,血液速度較快,辦將超過臨界值。劇烈運動時,心輸出量(單位時間內由左心室射入主動脈的血量)可能是靜息時的4-5倍,在心髒收縮的較長時間內,主動脈中將有湍流。在心髒瓣膜附近,由於它的啟閉而造成突然的局部血液高速流動也會引起湍流。在正常血液循環係統中的其它部位,因達不到臨界值,不會有湍流出現。

湍流可產生噪音。心音就與瓣膜啟、閉時出現的湍流有關,特別是瓣膜狹窄血流加快時,湍流引起的雜音尤為明顯。有動脈瘤的患者,或者由於創傷或先天畸形,在動脈和靜脈間造成血流“短路”,血液衝過狹窄部位或“短路”時,流速過快也可能出現湍流而產生雜音。常用的血壓接測量法中,判斷收縮壓的柯氏(柯羅特科夫)聲與血液的湍流有密切關係。

四、實際流體的柏努利方程

前麵討論過柏努利方程是在忽略了內摩擦力的情況下導出的。因而它隻適用於作穩定流動的理想流體,如要把它應用於有粘滯性的實際流體,則必須考慮由於內摩擦力所引起的機械能損耗。

流管中是作穩定流動的實際流體,其可壓縮性雖仍可忽略,但流體從截麵流到截麵的過程中要克服內摩擦力作功,這就必然要把一部分機械能轉換成熱能,因此單位體積的實際流體流經截麵處時所具有的總機械能應大於流經截麵上式即為適用於實際流體的柏努利方程。顯然,式中的是表示單位體積的實際流體從截麵流到截麵過程中克服內摩擦力所作的功,也是表示這個過程中因克服內摩擦力而出現的壓強降。

五、泊肅葉定律

不可壓縮的粘滯性液體,水平管作穩定流動時,沿著液體流動的方向,壓強是逐漸降低的。這是由於粘滯性液體在流動過程中克服內摩擦力作功所引起的。要使管內的液體作勻速流動,必須有一個外來力以抵消內摩擦力的作用,這個外力就是來自管子兩端的壓強差。法國科學家泊肅葉醫師在1842年從實驗中發現,在水平圓管中作穩定流動的不可壓縮的粘性液體。