กลศาสตร์ของไหล 3

ภายในของเหลวนอกจากจะมีแรงดัน และแรงลอยตัวแล้ว ยังมีแรงอีกชนิดหนึ่งเรียกว่า แรงตึงผิวอันเป็นผลมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลว เรานิยามคุณสมบัตินี้ผ่านปริมาณที่แรงว่า 

ความตึงผิว (surface tension) คือ อัตราส่วนระหว่าง แรงตึงผิวของของเหลวต่อความยาวของเส้นขอบที่สัมผัสผิวของเหลวนั้น สามารถเขียนสมการได้เป็น 

โดยที่  คือ ความตึงผิว (หน่วย N/m)
 คือ แรง (หน่วย N)
 คือ ความยาวขอบของวัตถุที่สัมผัสของเหลว (หน่วย m)

ตัวอย่าง ในกรณีของวงแหวนรัศมี r จะเห็นว่า ผิวด้านในและด้านนอกของแหวนสัมผัสกับน้ำ จะได้ว่าความยาวขอบ  ดังนั้นความตึงผิวจะมีค่าเป็น 

จากสมบัติดังกล่าว จะมีปรากฏการณ์ การซึมตามรูเล็ก (capillary action) เกิดขึ้น โดยเมื่อนำหลอดแก้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กๆ (0.1 มม) จุ่มลงในของเหลวแล้ว ปรากฏว่ามีน้ำซึมขึ้นมาตามหลอด ทั้งที่ความดันบรรยากาศที่กระทำต่อหลอดและผิวของเหลวเท่ากัน แต่เมื่อทำแบบเดียวกันหับปรอท พบว่า ระดับปรอทในหลอดต่ำว่าระดับผิว ดังรูปที่ 2

ในที่นี้ จะมีแรงสองชนิดที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์นี้
แรงยึดติด (adhesive force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเหลวกับ โมเลกุลของหลอด หรือวัตถุอื่น และ แรงเชื่อมแน่น (cohesive force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเหลวกับ โมเลกุลของเหลวด้วยกัน กรณีที่ แรงยึดติด มากกว่า แรงเชื่อมแน่น จะเกิดเหตุการณ์แบบในรูป 2a (น้ำกับแก้ว) และ เมื่อ แรงยึดติด น้อยกว่า แรงเชื่อมแน่น จะเกิดเหตุการณ์แบบในรูป 2b (ปรอทกับแก้ว) 

แรงหนืด (viscous force) คือ แรงต้านที่การเคลื่อนที่ที่เกิดกับวัตถุที่เคลื่อนที่ภายในของเหลวหรือ อากาศ โดยถ้าตัวกลางมีความหนาแน่นมาก แรงหนืดนี้จะเพิ่มมากขึ้นด้วย
กฎของสโตกส์ (Stokes’ law) แรงหนืดที่เกิดกับวัตถุทรงกลมที่เคลื่อนที่ภายในของเหลวจะแปรผันตรงกับรัศมีของทรงกลมและอัตราเร็วของวัตถุ

โดยที่  คือ รัศมีของทรงกลม
 คือ สัมประสิทธิ์ความหนืดของ ของเหลว
 คือ อัตราเร็วของวัตถุในของเหลว

ถ้าเราปล่อยวัตถุทรงกลมจากหยุดนิ่งให้เคลื่อนลงไปในของเหลวภายใต้แรงโน้มถ่วงดังรูป แรงที่กระทำต่อวัตถุจะมีลักษณะดังรูปที่แสดง จะเห็นว่า เมื่ออัตราเร็วของวัตถุเพิ่มขึ้นแรงหนืดก็เพิ่มขึ้นด้วย จนกระทั่งแรงหนืดมีขนาดเท่าแรงโน้มถ่วง จะทำให้เกิดแรงลัพธ์เป็นศูนย์ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ค่าหนึ่ง เรียกว่า อัตราเร็วสุดท้าย (terminal speed)