فئةسوائليشمل العديد من المواد المختلفة التي يمكن تمييزها عن بعضها بعدة طرق ، بما في ذلك التركيب الكيميائي والقطبية والكثافة وما إلى ذلك. خاصية أخرى للسوائل هي الكمية المعروفة باسماللزوجة.
ما هي اللزوجة؟
افترض أن لديك كوب ماء وكوب شراب. عندما تصب السوائل من هذه الأكواب ، تلاحظ اختلافًا واضحًا في كيفية تدفق كل سائل. يتدفق الماء بسرعة وسهولة بينما يصب الشراب ببطء أكثر. هذا الاختلاف يرجع إلى اختلاف في اللزوجة.
اللزوجة هي مقياس لمقاومة السائل للتدفق. يمكن اعتباره أيضًا مقياسًا لسمك السائل أو مقاومته للأشياء التي تمر عبره. كلما زادت مقاومة التدفق ، زادت اللزوجة ، لذلك في المثال السابق ، يكون للشراب لزوجة أعلى من الماء.
ما الذي يسبب اللزوجة؟
تحدث اللزوجة بسبب الاحتكاك الداخلي بين جزيئات السائل. فكر في السائل المتدفق على أنه يتكون من طبقات تتحرك فيما يتعلق ببعضها البعض. تحتك هذه الطبقات ببعضها البعض ، وكلما زاد الاحتكاك ، كان التدفق أبطأ (أو القوة المطلوبة لتحقيق التدفق).
يمكن أن تؤثر العديد من العوامل على لزوجة المادة ؛ من بين هذه درجة الحرارة. تذكر أن درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة ما. ينتج عن متوسط الطاقة الحركية الأعلى لكل جزيء جزيئات تتحرك بشكل أسرع وبالتالي انخفاض لزوجة السوائل. إذا قمت بتسخين الشراب في الميكروويف ، على سبيل المثال ، فقد تلاحظ أنه يتدفق بسهولة أكبر.
أما بالنسبة للغازات ، فإن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي في الواقع إلى "زيادة سمكها" وزيادة لزوجتها مع ارتفاع درجة الحرارة. هذا لأنه بالنسبة للغازات عند درجات الحرارة المنخفضة ، نادرًا ما تتصادم الجزيئات أو تتفاعل مع بعضها البعض ، بينما في درجات الحرارة المرتفعة ، هناك العديد من الاصطدامات. نتيجة لذلك ، تزداد مقاومة الغازات للتدفق.
يمكن أن يؤثر شكل الجزيئات في السائل أيضًا على اللزوجة. يمكن للجزيئات المستديرة أن تتدحرج عبر بعضها بسهولة أكثر من الجزيئات ذات الفروع والأشكال الأقل تجانسًا. (تخيل سكب دلو من الكرات مقابل سكب مجموعة من الرافعات).
إجهاد القص ومعدل القص
هناك عاملان مرتبطان بالصياغة الرياضية للزوجة هما إجهاد القص ومعدل القص. لفهم التعريف الرسمي للزوجة ، من المهم أولاً فهم تعريفات هذه الكميات.
ضع في اعتبارك طريقة تقريب تدفق السوائل كطبقات من السائل تتدفق عبر بعضها البعض. إذا فكرنا في سائل متدفق مثل هذا ، فإن إجهاد القص هو القوة التي تدفع طبقة عبر أخرى مقسومة على مساحة الطبقات. بشكل أكثر رسمية ، يمكن تحديد ذلك على أنه نسبة القوةFتطبق مع منطقة المقطع العرضيأمن المادة الموازية للقوة المطبقة.
غالبًا ما يُشار إلى إجهاد القص بالحرف اليوناني تاوτ، وبالتالي فإن التعبير الرياضي المقابل هو:
\ tau = \ frac {F} {A}
معدل القص هو في الأساس المعدل الذي تتحرك به طبقات السوائل فوق بعضها البعض. بشكل رسمي يتم تعريفه على النحو التالي:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
أين Δالخامسهو الفرق في السرعة بين طبقتين ، وxهو فصل الطبقة.
تدوين γ بالنقطة هو لأن γ هي القص ، وغالبًا ما يتم الإشارة إلى المشتق الأول (معدل التغيير) للمتغير بنقطة أعلى المتغير المرتبط. باستخدام حساب التفاضل والتكامل ، سيتم إعطاء معدل القص المستمرdv / dxبدلاً من ذلك ويشار إليه أيضًا باسم تدرج السرعة.
أنواع اللزوجة
تأتي اللزوجة في عدة أنواع مختلفة. هنالكمتحركاللزوجة ، وتسمى أيضًامطلقاللزوجة ، وهي عادةً اللزوجة المشار إليها عند قول "اللزوجة". ولكن هناك أيضًاحركياللزوجة ، والتي لها صيغة رياضية مختلفة قليلاً.
اللزوجة الديناميكية أو المطلقة هي نسبة إجهاد القص إلى معدل القص ، كما هو موضح في المعادلة التالية:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
تسمى الصيغة الشائعة لهذه العلاقة معادلة نيوتن وتتم كتابتها على النحو التالي:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
تعرف اللزوجة الحركية بأنها اللزوجة المطلقة مقسومة على كثافة الكتلة:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
ضع في اعتبارك سائلين قد يكون لهما نفس اللزوجة الديناميكية ، لكن كثافة الكتلة مختلفة. سوف يتدفق هذان السائلان من وعاء بمعدلات مختلفة تحت تأثير الجاذبية بسبب الكمية المتساوية لكل منها سيكون لها قوى جاذبية مختلفة عليها (تتناسب مع الجماهير). تأخذ اللزوجة الحركية هذا في الاعتبار عن طريق القسمة على كثافة الكتلة ، وبالتالي يمكن اعتبارها مقياسًا لمقاومة التدفق تحت تأثير الجاذبية وحدها.
وحدات اللزوجة
باستخدام وحدات SI ، حيث كان إجهاد القص في N / m2 وكان معدل القص في (m / s) / m = 1 / s ، ثم اللزوجة الديناميكية لها وحدات Ns / m2 = باسكال ثانية (باسكال ثانية). ومع ذلك ، فإن وحدة اللزوجة الأكثر شيوعًا هي داين ثانية لكل سنتيمتر مربع (dyne s / cm2) حيث 1 داين = 10-5 ن. واحد داين ثانية لكل سنتيمتر مربع يسمى أاتزانبعد عالم الفسيولوجيا الفرنسي جان بويزيول. ثانية باسكال واحدة تساوي 10 اتزان.
وحدة اللزوجة الحركية في النظام الدولي للوحدات هي ببساطة m2/ s ، على الرغم من أن الوحدة الأكثر شيوعًا في نظام CGS هي السنتيمتر المربع في الثانية ، والتي تسمى stoke (St) بعد الفيزيائي الأيرلندي جورج ستوكس.
قيم اللزوجة النموذجية
معظم السوائل لها لزوجة تتراوح بين 1 و 1000 ميللي باسكال بينما الغازات لها لزوجة منخفضة ، عادة ما بين 1-10 ميكرو باسكال. تبلغ لزوجة الماء حوالي 1.0020 ميجا باسكال بينما تتراوح لزوجة الدم بين 3 و 4 ميجا باسكال (تضفي معنى جديدًا على القول بأن الدم أثخن من الماء!)
لزيوت الطهي لزوجة تتراوح بين 25 إلى 100 ميللي باسكال ، بينما زيت المحرك وزيوت الآلات لها لزوجة في حدود بضع مئات من الأميال باسكال.
تبلغ لزوجة الهواء الذي تتنفسه حوالي 18 ميكرو باسكال.
الزجاج المصهور هو أحد أكثر السوائل لزوجة مع وجود لزوجة عالية تقترب من اللانهاية عندما يتصلب. عند نقطة الانصهار ، تبلغ لزوجة الزجاج حوالي 10 باسكال ، بينما تزداد هذه بمعامل 100 عند نقطة عملها وبمعامل يزيد عن 1011 عند نقطة التلدين.
السوائل النيوتونية
سائل نيوتن هو السائل الذي يرتبط فيه إجهاد القص خطيًا بمعدل القص. في مثل هذا السائل ، تكون لزوجة ذلك السائل قيمة ثابتة. (في السائل غير النيوتوني ، تنتهي اللزوجة بكونها وظيفة ديناميكية لمتغير آخر ، مثل الوقت).
ليس من المستغرب أن تعمل سوائل نيوتن ونمذجتها بسهولة. بشكل ملائم ، العديد من السوائل الشائعة هي نيوتن لتقريب جيد. تتضمن بعض السلوكيات التي قد تظهرها السوائل غير النيوتونية السوائل التي تتغير فيها اللزوجة مع معدل القص ، والسوائل التي تصبح أقل أو أكثر لزوجة عند الاهتزاز أو الاهتياج أو الاضطراب.
الماء والهواء أمثلة على سوائل نيوتن. من أمثلة السوائل غير النيوتونية الطلاء غير بالتنقيط وبعض محاليل البوليمر وحتى الدم. السائل غير النيوتوني المفضل في المدرسة الابتدائية هو الأوبليك - مزيج من نشا الذرة والماء الذي يعمل تقريبًا صلبًا عند العمل به بسرعة ، ثم يذوب عندما يترك بمفرده.
نصائح
كيفية صنع الأوبلك:امزج مقدارين من نشا الذرة مع جزء واحد من الماء. أضف كمية قليلة من مُلوِّن الطعام إذا رغبت في ذلك. جرب لكم المحلول أو تشكيله على شكل كرة ثم اتركه يذوب في يديك!
كيفية قياس اللزوجة
يمكن قياس اللزوجة بعدة طرق مختلفة. يتضمن ذلك استخدام أدوات مثل مقياس اللزوجة ، أو أي عدد من تجارب DIY.
من الأفضل استخدام مقاييس اللزوجة في السوائل النيوتونية وتميل إلى العمل بإحدى طريقتين. إما أن يتحرك جسم صغير عبر سائل ثابت ، أو يتدفق السائل عبر جسم ثابت. من خلال قياس السحب المرتبط ، يمكن تحديد اللزوجة. تعمل مقاييس اللزوجة الشعرية عن طريق تحديد الوقت اللازم لتدفق حجم معين من السائل عبر أنبوب شعري بطول معين. تقيس أجهزة قياس اللزوجة الكروية المتساقطة الوقت الذي تستغرقه الكرة لتسقط من خلال عينة تحت تأثير الجاذبية.
لقياس لزوجة السوائل غير النيوتونية ، غالبًا ما يستخدم مقياس ريومتر. الريولوجيا هو اسم فرع من فروع الفيزياء يدرس تدفق السوائل والمواد الصلبة اللينة ويلاحظ كيف تتشوه. يسمح مقياس الانسياب بتحديد المزيد من المتغيرات عند قياس اللزوجة لأن السوائل غير النيوتونية لا تحتوي على قيم لزوجة ثابتة. النوعان الرئيسيان من مقاييس الانفعال هماقصمقاييس الريومتر (التي تتحكم في إجهاد القص المطبق) وممتدمقاييس الريومتر (التي تعمل على أساس إجهاد القص الخارجي المطبق).
قياس اللزوجة DIY
فيما يلي وصف لكيفية قياس لزوجة سائل ما في المنزل باستخدام بعض المواد البسيطة. من أجل تطبيق هذه الطريقة ، ستحتاج أولاً إلى قانون ستوكس. يتعلق قانون ستوكس بقوة السحبFعلى كرة صغيرة تتحرك خلال سائل لزج إلى اللزوجة ، نصف قطر الكرةصوالسرعة النهائية للكرةالخامس، عبر:
F = 6 \ pi \ eta r v
الآن بعد أن أصبح لديك هذا القانون ، يمكنك إنشاء مقياس اللزوجة الكروية المتساقطة الخاصة بك.
الأشياء ستحتاج
- مسطرة
- ساعة التوقيف
- اسطوانة كبيرة متدرجة
- كرة رخامية أو فولاذية صغيرة
- سائل ترغب في قياس لزوجته
احسب كثافة السائل بوزن حجم معروف للسائل وقسمة كتلته على الحجم.
احسب كثافة الكرة بقياس قطرها أولاً وباستخدام الصيغة V = 4 / 3πr3 لحساب حجمها. ثم قم بوزن الكرة وقسم الكتلة على الحجم.
قم بقياس السرعة النهائية للكرة أثناء سقوطها عبر السائل في الأسطوانة المُدرَّجة. في سائل سميك ، تصل سرعة الرخام إلى سرعة ثابتة إلى حد ما. حدد الوقت الذي تستغرقه الكرة لتمريرها بين نقطتين معلمتين على الأسطوانة المتدرجة ، ثم اقسم تلك المسافة على الوقت لتحديد السرعة.
يمكن العثور على لزوجة المائع باستخدام قانون ستوكس وحل اللزوجة:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
حيث F في هذه الحالة هي قوة السحب. لتحديد قوة السحب ، يجب عليك كتابة معادلة صافي القوة وحلها. معادلة القوة الكلية عندما تكون الكرة عند السرعة النهائية هي:
F_net = F_b + F - F_g = 0
أينFبهي قوة الطفو وFزهي قوة الجاذبية. عند حل F وإدخال التعبيرات ، تحصل على:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
أينالخامسبهو حجم الكرة ،ρبهي كثافة الكرة وρF هي كثافة السائل.
ومن هنا تصبح صيغة اللزوجة:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
ما عليك سوى إدخال القيم المقاسة لنصف قطر الكرة وكثافة الكرة والسائل والسرعة النهائية لحساب النتيجة النهائية.
