のカテゴリ流体化学組成、極性、密度など、さまざまな方法で互いに区別できるさまざまな物質が含まれます。 流体の別の特性は、粘度.
粘度とは何ですか？
あなたが一杯の水と一杯のシロップを持っているとしましょう。 これらのカップから液体を注ぐと、各液体の流れ方に明確な違いがあります。 シロップがゆっくりと注がれる間、水は素早く簡単に注がれます。 この違いは、粘度の違いによるものです。
粘度は、流体の流れに対する抵抗の尺度です。 また、流体の厚さ、または流体を通過するオブジェクトに対する流体の抵抗の尺度と考えることもできます。 流れに対する抵抗が大きいほど粘度が高くなるため、前の例では、シロップの粘度は水よりも高くなります。
粘度の原因は何ですか？
粘度は、流体内の分子間の内部摩擦によって引き起こされます。 流れる流体は、相互に関連して移動する層で構成されていると考えてください。 これらの層は互いに摩擦し、摩擦が大きいほど、流れは遅くなります（または流れを実現するために必要な力が大きくなります）。
多くの要因が物質の粘度に影響を与える可能性があります。 これらの中には温度があります。 温度は、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度であることを思い出してください。 分子あたりの平均運動エネルギーが高いほど、分子の動きが速くなり、液体の粘度が低くなります。 たとえば、電子レンジでシロップを温めると、流れやすくなることがあります。
ただし、ガスの場合、温度が高くなると実際には「厚く」なり、粘度は温度とともに増加します。 これは、低温のガスの場合、分子が互いに衝突したり相互作用したりすることはめったにないのに対し、高温ではさらに多くの衝突が発生するためです。 その結果、ガスの流れに対する抵抗が増加します。
流体中の分子の形状も粘度に影響を与える可能性があります。 丸い分子は、枝があり、形状が均一でない分子よりも簡単に互いに通り過ぎることができます。 （ビー玉のバケツを注ぐのではなく、ジャックの束を注ぐことを想像してみてください。）
せん断応力とせん断速度
粘度の数学的定式化に関連する2つの要因は、せん断応力とせん断速度です。 粘度の正式な定義を理解するには、まずこれらの量の定義を理解することが重要です。
流体の流れを、互いに通過する流体の層として近似する方法を検討してください。 このように流れる流体を考えると、せん断応力は、ある層を別の層に押し付ける力を層の面積で割ったものです。 より正式には、これは力の比率として表すことができますF断面積で適用A加えられた力に平行な材料の。
せん断応力はギリシャ文字のタウで表されることがよくありますτ、したがって、対応する数式は次のとおりです。
\ tau = \ frac {F} {A}
せん断速度は、基本的に、流体層が互いに通過する速度です。 より正式には、次のように定義されます。
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
ここで、Δvは2つの層の間の速度の差であり、バツ層の分離です。
ドット付きのγの表記は、γがせん断であり、変数の一次導関数（変化率）が関連する変数の上にドットで示されることが多いためです。 微積分を使用すると、連続せん断速度は次のようになります。dv / dx代わりに、速度勾配とも呼ばれます。
粘度の種類
粘度にはいくつかの種類があります。 有る動的粘度、別名絶対の粘度。通常、単に「粘度」と言うときに参照される粘度です。 しかし、キネマティック粘度。わずかに異なる数学的定式化があります。
動的粘度または絶対粘度は、次の式に示すように、せん断応力とせん断速度の比率です。
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
この関係の一般的な定式化はニュートンの方程式と呼ばれ、次のように記述されます。
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
動粘度は、絶対粘度を質量密度で割ったものとして定義されます。
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
動粘度は同じで、質量密度が異なる2つの流体について考えてみます。 これらの2つの流体は、重力の影響下で異なる速度でコンテナから注がれます。 それぞれの等量は、それらに作用する異なる重力を持ちます（それらに比例して 質量）。 動粘度は、これを質量密度で割ることによって考慮されるため、重力のみの影響下での流れに対する抵抗の尺度と考えることができます。
粘度の単位
せん断応力がN / mであったため、SI単位を使用2 せん断速度は（m / s）/ m = 1 / sであり、動粘度の単位はNs / mです。2 = Pa s（パスカル秒）。 ただし、粘度の最も一般的な単位は、1平方センチメートルあたりのダイン秒（ダインs / cm）です。2）ここで、1ダイン= 10-5 N。 1平方センチメートルあたり1ダイン秒はポアズフランスの生理学者ジャン・ポアズイユの後。 1パスカル秒は10ポアズに相当します。
動粘度のSI単位は単純にmです。2/ sですが、CGSシステムでより一般的な単位は、1秒あたりの平方センチメートルです。これは、アイルランドの物理学者ジョージストークスにちなんでストークス（St）と呼ばれます。
典型的な粘度値
ほとんどの液体の粘度は1〜1,000 mPa sですが、気体の粘度は低く、通常は1〜10μPasです。 水の粘度は約1.0020mPa sですが、血液の粘度は3〜4 mPa sです（血液は水より濃いということわざに新しい意味を与えます！）
食用油の粘度は約25〜100 mPa sですが、モーターオイルと機械油の粘度は数百mPasのオーダーです。
呼吸する空気の粘度は約18μPasです。
溶融ガラスは、凝固するにつれて無限大に近づく高粘度の、最も粘性の高い流体の1つです。 融点でのガラスの粘度は約10Pa sですが、これは動作点で100倍、10倍以上増加します。11 そのアニーリングポイントで。
ニュートン流体
ニュートニオン流体は、せん断応力がせん断速度に線形に関連している流体です。 このような流体では、その流体の粘度は一定値です。 （非ニュートン流体では、粘度は時間などの別の変数の動的関数になります。）
当然のことながら、ニュートニオン流体は操作とモデル化が簡単です。 便利なことに、多くの一般的な流体は、適切な近似値であるニュートニオンです。 非ニュートン流体が示す可能性のある動作には、せん断速度に応じて粘度が変化する流体や、振ったり、攪拌したり、乱したりすると粘度が増減する流体が含まれます。
水と空気はニュートニオン流体の例です。 非ニュートン流体の例としては、非ドリップペイント、一部のポリマー溶液、さらには血液があります。 小学校で人気のある非ニュートン流体の1つは、コーンスターチと水の混合物であるoobleckです。これは、すばやく作業するとほぼ固体になり、そのままにしておくと溶けます。
チップ
oobleckの作り方：2部のコーンスターチを1部の水に混ぜます。 必要に応じて、少量の食品着色料を追加します。 溶液を打ち抜くか、ボールに成形してから、手で溶かしてみてください。
粘度の測定方法
粘度はいくつかの異なる方法で測定できます。 これらには、粘度計などの機器の使用、または任意の数のDIY実験が含まれます。
粘度計はニュートン流体に最もよく使用され、2つの方法のいずれかを介して機能する傾向があります。 小さな物体が静止した流体の中を移動するか、流体が静止した物体を通過して流れます。 関連する抗力を測定することにより、粘度を決定することができます。 毛細管粘度計は、特定の量の流体が特定の長さの毛細管を通って流れるのに必要な時間を決定することによって機能します。 落下ボール粘度計は、重力の影響下でボールがサンプルを落下するのにかかる時間を測定します。
非ニュートン流体の粘度を測定するには、レオメーターがよく使用されます。 レオロジーは、流体と柔らかい固体の流れを研究し、それらがどのように変形するかを観察する物理学の一分野の名前です。 非ニュートン流体は一定の粘度値を持たないため、レオメーターを使用すると、粘度を測定するときに、より多くの変数を決定できます。 レオメータの2つの主なタイプは次のとおりです。剪断レオメータ（適用されるせん断応力を制御する）および拡張レオメータ（加えられた外部せん断応力に基づいて動作します）。
DIY粘度測定
以下では、いくつかの簡単な材料を使用して、自宅で液体の粘度を測定する方法について説明します。 ただし、この方法を適用するには、最初にストークスの法則が必要になります。 ストークスの法則は抗力に関連していますF粘性流体を通って球の粘度、半径まで移動する小さな球上r球の終端速度v、経由：
F = 6 \ pi \ eta r v
この法則ができたので、独自の落下ボール粘度計を作成できます。
必要なもの
- ルーラー
- ストップウォッチ
- 大規模な卒業シリンダー
- 小さな大理石または鋼球
- 粘度を測定したい流体
流体の既知の体積を計量し、その質量を体積で割って、流体の密度を計算します。
最初にボールの直径を測定し、式V = 4 /3πrを使用してボールの密度を計算します3 その体積を計算します。 次に、ボールの重さを量り、質量を体積で割ります。
ボールがメスシリンダー内の流体を通って落下するときのボールの終端速度を測定します。 濃い液体では、大理石はかなり速く一定速度に達します。 ボールがメスシリンダーの2つのマークされたポイント間を通過するのにかかる時間を計り、その距離を時間で割って速度を決定します。
流体の粘度は、ストークスの法則を使用して粘度を解くことで求めることができます。
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
ここで、この場合のFは抗力です。 抗力を決定するには、正味の力の方程式を記述して解く必要があります。 ボールが終端速度にあるときの正味の力の方程式は次のとおりです。
F_net = F_b + F-F_g = 0
どこFb浮力であり、Fg重力です。 Fを解いて式をプラグインすると、次のようになります。
F = F_g-F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3（\ rho_b- \ rho_f）
どこVbボールの体積です、ρbボールの密度とρf は流体の密度です。
したがって、粘度の式は次のようになります。
\ eta = \ frac {2r ^ 2g（\ rho_b- \ rho_f）} {9v}
ボールの半径、ボールと流体の密度、および終端速度の測定値をプラグインするだけで、最終結果が計算されます。
