流体的粘滞性

金仲辉

钱婷同学问：“用完的圆珠笔芯，如果向里面注入墨水，为什么书写就不流利，甚至书写不出来呢？”

为了更好地回答这个问题，从而理解有关问题中的一些知识，我们先来谈谈流体的粘滞性质.

流体是指能够流动的物质，受力后很容易产生形变，气体和液体都属于流体.流体的重要性质之一是它在运动中所呈现出来的粘滞性质.当流体相邻流层之间有相对滑动时，在接触面上存在着切向的阻力，这种阻力称为粘滞力（或称内摩擦力）；另外，流体具有粘附于同它接触、并有相对运动的固体表面的性质.流体的这些内在性质称为粘滞性（或称粘性）.

流体的粘滞性在日常生活中是容易看到的.例如，河道中流动着的河水，不同的水层（水层面与河水表面垂直）有不同的流速.图1示意河内流水不同水层的流速分布情况.由于水粘附于河岸，所以河岸处水层的流速为零，而远离河岸的水层流速逐渐加大，河中央水层的流速最大.流速大的水层施于流速小的水层一个拉力，而流速小的水层施于流速大的水层一个阻力.在管道中流动着的流体（气体或液体）也有类似的情况.如果流体在截面为圆形的管道中流动，那么在管壁处的流体层流速为零，靠近管道轴线越近的流体层（层的截面为圆形）流速越大，轴线处的流体层流速最大.由此我们也可了解，在长距离输送油或水的途中，必须建立加压站的原因.

描述流体粘滞性质的物理量是粘滞系数η，它与温度有密切的关系，对液体来说，η随温度升高而减小，对气体恰好相反，它随温度升高而增大.

有了上述的知识，我们就很容易回答钱婷同学的问题.厂家生产的圆珠笔芯中用的专用墨水和笔芯头部的钢珠是配套的，即对专用墨水的粘滞系数有严格的要求，而且在低温（如在冬天）和高温（如在夏天）下书写同样流畅，而不是在低温下，由于墨水的粘滞性系数增大，降低了墨水的流动性无法书写，和在高温下，由于墨水的粘滞系数减小，增强了墨水的流动性，在纸上流成一团墨水无法书写.而钱婷同学所用的墨水就未必符合要求，难怪书写起来就不流畅.由此可看出，一支质量好的圆珠笔芯，它的墨水的粘滞系数在日常的低温至高温范围里，变化应是很小的.还如，在野外使用的机器和汽车等使用的润滑油的粘滞系数也应在很宽的温度内变化很小.

测定流体的粘滞系数，在许多方面有重大的实际意义.例如，在输送流体（水、石油和天然气）的管道设计中，机器轴承润滑油的选择必须考虑粘滞系数的大小，而且由于粘滞系数与流体分子结构有关，生物学和医学上常用它来测定蛋白质的相对分子质量，还有人体中的不少病变（例如心血管病、急性炎症等）中血液粘滞性变化很大，因此测定血液的粘滞系数可为病因诊断提供有价值的信息.

责任编辑 蔡华杰