В тридцатых годах прошлого столетия английский физик Фаулер с коллегой Берналлом искали объяснение "текучести воды". Занятие не новое, ещё Рентген думал над этим парадоксом.
А парадокс в том, что, с одной стороны, молекулы воды связаны друг с другом силами Ван-дер-Ваальса очень прочно, с другой - вода весьма текуча?
Как стекло считается переохлаждённой жидкостью с огромной вязкостью, так и воду предлагали считать перегретым кристаллическим телом с низкой вязкостью.
Что такое "связаны"?
Кнапп и Бергман дают разные результаты опытных проверок прочности воды на разрыв - от нескольких атмсофер и до 270 атмосфер!
Разброс результатов у исследователей, порядка двух сотен раз, показывает, что или методы плохи или само теоретическое обоснование этих измерений покоится на неверной основе.
Предположение Фаулера и Бернадола было следующим: Молекулы воды не просто сцеплены друг с другом, они соединены в некие пространственные конгломераты в виде пентагонов-додекаэдров, то есть двенадцатигранников, где каждой гранью является правильный пятиугольник. В других местах я встретил не додекаэдры, а икосаэдры, то есть двадцатигранники с гранями из правильных треугольников.
В принципе это неважно, важно, что молекулы воды объединены в многогранники.
Ну и что? Чем это хорошо для объяснения парадокса?
По замыслу упомянутых учёных и также других, подхвативших эту идею, эти пространственные структуры обладают способностью СКОЛЬЗИТЬ гранями друг по другу наподобие шарикоподшипников. Вот и получается текучесть.
Ну, а прочность на разрыв?
Мол, слипаются гранями крепко.
Мне ТАКОЕ объяснение кажется несколько произвольным, Получается, что, когда физикам требуется, многогранники накрепко слипаются, а когда требуется текучесть, вдруг перестают слипаться, а скользят. Что мешает им скользить, когда их растягивают на прочность?
Тем не менее, рациональное зерно в идее молекулярных конгломератов имеется. Но не хватает
ясного осознания самого процесса взаимодействия соседствующих многогранников.
Допустим, что многогранники эти устроены так, что в вершинах граней у них находятся разнополярные молекулы, то "торчит наружу" электрический плюс, то минус.
Допустим также, что эта полярность свойственна не одной или двум вершинам, а некоторые грани целиком минусные, а другие целиком плюсовые. Когда многогранники находятся в покое, они все повёрнуты друг к другу так, что все притягиваются, слипаются своими разнознаковыми гранями в
нечто плотное и крепкосвязанное. И это случай, когда мы испытываем прочность воды на разрыв.
Но, когда они движутся, они сразу поворачиваются друг к другу однополярными гранями, которые ОТТАЛКИВАЮТСЯ, и тут происходит лёгкое скольжение их друг относительно друга.
(Нечто, похожее на поведение доменов ферромагнетика без поля и во внешнем магнитном поле.)
Такая идейка сразу устраняет парадокс, но она вводит ещё и дополнительный параметр воды (собственно, любой жидкости) -- АНИЗОТРОПНОСТЬ ВЯЗКОСТИ, то есть неодинаковую РАЗНОНАПРАВЛЕННОСТЬ внутреннего трения конгломератов.
Вязкость становится РАЗНОЙ в движущейся жилкости, воде - будем продолжать рассказ о ней. Появляются две вязкости:
Одна - ПРОДОЛЬНАЯ, связывающая частицы потока вдоль его оси.
Другая - ПОПЕРЕЧНАЯ, то есть вязкость двух соседних движущихся потоков, сцепление друг с другом их "боковыми" сторонами.
В вязкости продольной действует связь разнополярная.
В вязкости поперечной, действует попеременно, то взаимоотталкивание, то взаимопритяжение, что явно делает её более слабой!
Хочу подчеркнуть, речь идёт только во взаимном сцеплении частиц одного и того же жидкого вещества. Вязкость по отношению с инородному материалу, стенкам трубы или по отношению к телу, движущемуся через среду, остаётся одной. Там может быть одна и та же поперечная вязкость, изотропная, или две, весьма близкие по величине.
Введение идеи анизотропии вязкости в движущейся жидкости или газе, в отличие от покоющейся, сразу даёт ответы на много вопросов из разных областей гидро-газодинамики.
Например, она даёт объяснение эмпирического закона Бернулли, постулирующего, что в дивжущейся среде жидкости или газа давление меньше, чем в неподвижной. Сцепленные продольной вызкостью частицы уходя, тянут за собой всю цепочку потока, создавая некий перепад давлений там, где движение быстрей.
Почему, например, в любом потоке воды, в реке или в трубе, график величины скорости один: В центре скорость максимальна, на периферии минимальна из-за трения о берега или стенки. Но это значит, что и давление в центре потока ниже! Почему оно НЕ ВЫРАВНИВАЕТСЯ сразу соседями, которые должны немедленно втянуться в зону низкого давления и тут же сравнять давление во всём
потоке? Мешает ПРОДОЛЬНАЯ бОльшая вязкость! Она не даёт смешиваться разноскоростным потокам.
В сверхтекучести жидкого гелия два. Сквозь тончайшие капилляры в опытах П.Л Капицы он с лёгкостью протекал там, где не то что жидкость, а даже ГАЗООБРАЗНЫЙ гелий почти не мог просочиться!
А в схожих, вроде бы, опытах с затуханием крутильных колебаний диска, погружённого в гелий два,
никакой сверхтекучести ТОГО ЖЕ гелия два НЕ НАБЛЮДАЛОСЬ!!! Вязкость обычного жидкого гелия!
Ответ на такой парадокс снова даёт гипотеза о двух вязкостях. В случае капилляров, струя гелия два связанная продольной вязкостью, скользила без трения по мономолекулярной плёнке того же гелия два, прилипшего в виде пограничного слоя к стенкам капилляра. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ!
В случае крутильных колебаний диска - диск (а не струи гелия!!!) двигался относительно жидкого гелия два и там работала ТОЛЬКО ПОПЕРЕЧНАЯ, нормальная вязкость этой сверхтекучей жидкости - сцепление с другим веществом! Поэтому всё тот же гелий два МОЖЕТ растекаться тончайшими плёнками по твёрдым поверхностям и даже самопереливаться, из сосуда в сосуд, поднимаясь "ползком" по стенкам!
Возможно, и число Рейнольдса, характеризующее сскоростную границу перехода ламинарного потока в турбулентный тоже связано с различием величин обеих вязкостей. Равно и вихреобразование в гидро-газодинамике.
Как и срыв потока с поверхности крыла самолёта или подводных крыльев при достижении определённой скорости.
Вспомним также процессы испарения воды на морозе. Там тоже, возможно, отсоединяются целые кристаллические конгломераты за счёт взаимного поворота друг к другу их граней с одноимёнными зарядами.
Мне представляется, что в гипотезе ПРОДОЛЬНОЙ и ПОПЕРЕЧНОЙ вязкостей есть рациональное зерно, ибо она даёт объяснение разным необъяснённым "парадоксам"!
Она же служит, в частных случаях, физической основой Закона Неэквивалентности Взаимодействия тела и среды, то есть, казалось бы, систем, кинематически эквивалентных.
Литература:
Р.Кнапп, Дж.Дейли, Ф.Хэммит, Кавитация, 1970г.
Л.Бергманн, Ультразвук и его применение в науке и технике, Цюрих, 1954г.