კატეგორიაშისითხეებიმოიცავს უამრავ სხვადასხვა ნივთიერებას, რომელთა განასხვავებენ ერთმანეთისგან მრავალი გზით, მათ შორის ქიმიური შემადგენლობით, პოლარობით, სიმკვრივით და ა.შ. სითხეების კიდევ ერთი თვისებაა რაოდენობა, რომელსაც ეწოდებასიბლანტე.
რა არის სიბლანტე?
დავუშვათ, რომ გაქვთ ჭიქა წყალი და ჭიქა სიროფი. როდესაც ამ ჭიქებიდან სითხეებს ასხამთ, აშკარა განსხვავებაა თითოეული სითხის ნაკადის მხრივ. წყალი სწრაფად და მარტივად იღვრება, ხოლო სიროფი უფრო ნელა ასხამს. ეს განსხვავება განპირობებულია მათი სიბლანტის სხვაობით.
სიბლანტე სითხის სითხის წინააღმდეგობის გაზომვაა. ის ასევე შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც სითხის სისქის ან მასში გამავალი ობიექტების მიმართ მისი მდგრადობის საზომი. რაც უფრო დიდია წინააღმდეგობა ნაკადისადმი, მით მაღალია სიბლანტე, ამიტომ წინა მაგალითში სიროპს აქვს უფრო მაღალი სიბლანტე ვიდრე წყალი.
რა იწვევს სიბლანტეს?
სიბლანტე გამოწვეულია სითხეში მოლეკულებს შორის შიდა ხახუნით. იფიქრეთ, რომ მიედინება სითხე, რომელიც შედგება ფენებისგან, რომლებიც მოძრაობენ ერთმანეთთან მიმართებაში. ეს ფენები ერთმანეთს ეზიდება და რაც მეტია ხახუნება, მით უფრო ნელა მიედინება დინება (ან მით უფრო მეტი ძალაა საჭირო ნაკადის მისაღწევად).
მრავალ ფაქტორს შეუძლია გავლენა მოახდინოს ნივთიერების სიბლანტეზე; მათ შორის არის ტემპერატურა. შეგახსენებთ, რომ ტემპერატურა არის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო მოლეკულაში ნივთიერებაში. საშუალოზე მეტი კინეტიკური ენერგია თითო მოლეკულაში იწვევს უფრო სწრაფად მოძრავ მოლეკულას და, შესაბამისად, სითხეების უფრო დაბალ სიბლანტეს. თუ მაგალითად სიროფი თბება მიკროტალღურ ღუმელში, შეიძლება შეამჩნიოთ, რომ ის უფრო ადვილად მიედინება.
თუმცა გაზებისთვის, უფრო მაღალი ტემპერატურა იწვევს მათ "გასქელებას" და მათი სიბლანტე იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ეს იმიტომ ხდება, რომ დაბალი ტემპერატურის მქონე გაზებისთვის, მოლეკულები იშვიათად ეჯახებიან ან ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, ხოლო მაღალ ტემპერატურაზე გაცილებით მეტი შეჯახება ხდება. შედეგად, აირების წინააღმდეგობა იზრდება ნაკადის მიმართ.
სითხის მოლეკულების ფორმას ასევე შეუძლია გავლენა მოახდინოს სიბლანტეზე. უფრო მრგვალ მოლეკულებს უფრო ადვილად შეუძლიათ ერთმანეთის გვერდის ავლით, ვიდრე ტოტები და ნაკლებად ერთგვაროვანი ფორმების მქონე მოლეკულები. (წარმოიდგინეთ, ასხამს მარმარილოს ვედროს და ასხამს ჯეკებს.)
Shear სტრესი და Shear Rate
ორი ფაქტორი, რომლებიც დაკავშირებულია სიბლანტის მათემატიკურ ფორმულირებასთან, არის ნაწყვეტის სტრესი და ძირების სიხშირე. იმისათვის, რომ გავიგოთ სიბლანტის ფორმალური განმარტება, პირველ რიგში მნიშვნელოვანია გავიგოთ ამ სიდიდეების განმარტებები.
განვიხილოთ სითხის ნაკადის მიახლოების მეთოდი, როგორც სითხის ფენები, რომლებიც მიედინება ერთმანეთთან. თუ ჩვენ ვფიქრობთ, რომ ასეთ მიედინება სითხე, წანაზარდი სტრესი არის ძალა, რომელიც უბიძგებს ერთ ფენას მეორეზე დაყოფილია ფენების ფართობის მიხედვით. უფრო ფორმალურად, ეს შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ძალთა თანაფარდობავგანივი კვეთის ფართობითამასალის, რომელიც არის გამოყენებული ძალის პარალელური.
თიხის სტრესი ხშირად აღინიშნება ბერძნული ასო tau- ითτდა შესაბამისად შესაბამისი მათემატიკური გამოთქმაა:
\ tau = \ frac {F} {A}
Shear სიჩქარე არსებითად სიჩქარეა, რომლითაც სითხის ფენები გადადიან ერთმანეთზე. უფრო ფორმალურად იგი განისაზღვრება შემდეგნაირად:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
სადაც Δვარის განსხვავება სიჩქარეში ორ ფენას შორის დაxარის ფენის გამოყოფა.
Γ აღნიშვნა წერტილით არის იმიტომ, რომ γ არის წანაცვლება და ცვლადის პირველი წარმოებული (ცვლილების სიჩქარე) ხშირად აღინიშნება ასოცირებული ცვლადის ზემოთ წერტილით. გამოთვლის გამოყენებით, უწყვეტი ბზარის სიჩქარე მოცემული იქნება როგორცdv / dxსამაგიეროდ და ასევე მოიხსენიება როგორც სიჩქარის გრადიენტი.
სიბლანტის სახეები
სიბლანტე რამდენიმე სხვადასხვა ტიპისაა. Იქ არისდინამიურისიბლანტე, ასევე მოუწოდააბსოლუტურისიბლანტე, რომელიც ჩვეულებრივ არის სიბლანტე, რომელზეც უბრალოდ ვამბობთ ”სიბლანტეს”. მაგრამ ასევე არსებობსკინემატიკურისიბლანტე, რომელსაც აქვს ოდნავ განსხვავებული მათემატიკური ფორმულირება.
დინამიური ან აბსოლუტური სიბლანტე არის ნაწყვეტის დატვირთვის თანაფარდობა ნაკვეთის სიჩქარეზე, როგორც ნაჩვენებია შემდეგ განტოლებაში:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
ამ ურთიერთობის საერთო ფორმულირებას უწოდებენ ნიუტონის განტოლებას და იწერება შემდეგნაირად:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ დელტა v} {x}
კინემატიკური სიბლანტე განისაზღვრება, როგორც აბსოლუტური სიბლანტე დაყოფილი მასის სიმკვრივეზე:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
განვიხილოთ ორი სითხე, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს იგივე დინამიური სიბლანტე, მაგრამ განსხვავებული მასის სიმკვრივე. ეს ორი სითხე სხვადასხვა სიჩქარით გადმოიღვრება ჭურჭლიდან, სიმძიმის გავლენის ქვეშ, რადგან ან თითოეულის თანაბარი რაოდენობა მათზე მოქმედებს სხვადასხვა გრავიტაციული ძალებით (მათი პროპორციული) მასები). კინემატიკური სიბლანტე ითვალისწინებს ამას მასის სიმკვრივეზე დაყოფით და, შესაბამისად, შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც დინების სიმძიმის გავლენის ქვეშ მყოფი წინააღმდეგობის გაანგარიშება.
სიბლანტის ერთეულები
SI ერთეულების გამოყენებით, ვინაიდან ნაწყვეტის სტრესი იყო N / m2 და წვერის სიჩქარე იყო (მ / წმ) / მ = 1 წმ, შემდეგ დინამიურ სიბლანტეს აქვს Ns / m ერთეული2 = Pa s (პასკალ-წამი). ამასთან, სიბლანტის ყველაზე გავრცელებული ერთეული არის კვადრატულ სანტიმეტრზე მეორე წამში (dyne s / cm)2) სადაც 1 dyne = 10-5 ნ. კვადრატულ სანტიმეტრზე ერთ დინ წამს ეწოდება aპოზიფრანგი ფიზიოლოგის ჟან პუზუელის შემდეგ. ერთი პასკალ-წამი უდრის 10 პოზიციას.
კინემატიკური სიბლანტის SI ერთეული უბრალოდ m2/ წმ, თუმცა CGS სისტემაში უფრო გავრცელებული ერთეული არის კვადრატული სანტიმეტრი წამში, რომელსაც ირლანდიელი ფიზიკოსის ჯორჯ სტოუქსის სახელით სტოკს (St) უწოდებენ.
ტიპიური სიბლანტის მნიშვნელობები
სითხეების უმეტესობას აქვს სიბლანტე 1-დან 1000 მპა-მდე, ხოლო გაზებს აქვს დაბალი სიბლანტე, ჩვეულებრივ 1-10 μPa s- ს შორის. წყლის სიბლანტეა დაახლოებით 1,0020 mPa წმ, ხოლო სისხლის სიბლანტე 3-დან 4 მპა-მდე (ახალი მნიშვნელობის მიცემა იმის გამო, რომ სისხლი უფრო სქელია ვიდრე წყალი!)
სამზარეულოს ზეთებს აქვთ სიბლანტე 25–100 მპა წმ – მდე, ხოლო ძრავის ზეთისა და მანქანების ზეთებს აქვთ სიბლანტე რამდენიმე ასეული მპა – ს შეკვეთით.
თქვენს მიერ ჩასუნთქულ ჰაერს აქვს სიბლანტე დაახლოებით 18 μPa s.
გამდნარი მინა არის ერთ – ერთი ყველაზე ბლანტი სითხე, რომლის გამაგრებისას მაღალი სიბლანტე უახლოვდება უსასრულობას. მისი დნობის წერტილში შუშის სიბლანტე დაახლოებით 10 პა წმ-ია, ხოლო ეს იზრდება 100-ით, ხოლო მისი სამუშაო წერტილით 10-ზე მეტი11 მის ანელირების წერტილში.
ნიუტონის სითხეები
ნიუტონიონის სითხე არის ის, რომელშიც წანაზარდის დაძაბულობა ხაზობრივად უკავშირდება წანაცვლების სიჩქარეს. ასეთ სითხეში, ამ სითხის სიბლანტე მუდმივი მნიშვნელობაა. (არა-ნიუტონის სითხეში, სიბლანტე მთავრდება სხვა ცვლადის დინამიური ფუნქციით, მაგალითად დროით).
გასაკვირი არ არის, რომ ნიუტონიონის სითხეებთან უფრო ადვილია მუშაობა და მოდელირება. მოსახერხებელია, რომ ბევრი ჩვეულებრივი სითხე არის ნიუტონიონი კარგი მიახლოებით. ზოგიერთ ქცევაში, რომელსაც შეიძლება არა-ნიუტონის სითხეები გამოავლინონ, მოიცავს სითხეებს, რომლებშიც სიბლანტე იცვლება წანაცვლების სიჩქარით და სითხეები, რომლებიც უფრო ნაკლებად ან ბლანტი ხდება, როდესაც ხდება მათი შერყევა, აგზნება ან დარღვევა.
წყალი და ჰაერი ნიუტონიონის სითხეების მაგალითებია. არა-ნიუტონის სითხეების მაგალითებია არა წვეთოვანი საღებავი, ზოგიერთი პოლიმერული ხსნარი და სისხლიც კი. ერთი კლასის სკოლის საყვარელი არა-ნიუტონის სითხე არის oobleck - სიმინდის სახამებლისა და წყლის ნარევი, რომელიც სწრაფად მუშაობისას თითქმის მყარია, შემდეგ კი მარტო დარჩენისას დნება.
Რჩევები
როგორ გავაკეთოთ oobleck:შეურიეთ 2 ნაწილის სიმინდის სახამებელი წყლის 1 ნაწილს. სურვილისამებრ დაამატეთ მცირე რაოდენობით საკვები შეღებვა. შეეცადეთ დაარღვიოთ ხსნარი ან ჩამოყალიბდეთ ბურთულად და შემდეგ აუშვათ რომ დნება თქვენს ხელში!
როგორ გავზომოთ სიბლანტე
სიბლანტის გაზომვა შესაძლებელია სხვადასხვა ფორმით. ეს მოიცავს ინსტრუმენტების გამოყენებას, როგორიცაა ვისკომეტრი, ან წვრილმანი წვრილმანი ექსპერიმენტები.
ვისკომეტრი საუკეთესოდ გამოიყენება ნიუტონის სითხეებზე და მუშაობენ ორიდან ერთზე. ან პატარა ობიექტი მოძრაობს სტაციონარული სითხის მეშვეობით, ან სითხე მიედინება სტაციონარული ობიექტის გასწვრივ. ასოცირებული დრაივის გაზომვით, შესაძლებელია სიბლანტის დადგენა. კაპილარული ვისკომეტრი მუშაობს გარკვეული დროის კაპილარული მილის მეშვეობით სითხის გარკვეული მოცულობის გადასაადგილებლად საჭირო დროის განსაზღვრით. ვარდნის ბურთულიანი ვისკომეტრი ზომავს ბურთის სიმძიმის გავლენით ნიმუშში ჩავარდნის დროს.
არა-ნიუტონის სითხეების სიბლანტის გასაზომად, ხშირად გამოიყენება რეომეტრი. რეოლოგია ფიზიკის დარგის სახელია, რომელიც შეისწავლის სითხეების და რბილი მყარი ნივთიერებების ნაკადს და აკვირდება როგორ ხდება მათი დეფორმაცია. რეომეტრი საშუალებას იძლევა უფრო მეტი ცვლადი დადგინდეს სიბლანტის გაზომვისას, ვინაიდან არა-ნიუტონის სითხეებს არ აქვთ მუდმივი სიბლანტის მნიშვნელობები. რეომეტრის ორი ძირითადი ტიპიაგაჭრარეომეტრები (რომლებიც აკონტროლებენ გამოყენებულ წანაცვლებას) დაექსტენსიურირეომეტრები (რომლებიც მოქმედებენ გარე გაჭრის სტრესის საფუძველზე).
წვრილმანი სიბლანტის გაზომვა
ქვემოთ აღწერილია, თუ როგორ შეგიძლიათ გაზომოთ სითხის სიბლანტე სახლში რამდენიმე მარტივი მასალის გამოყენებით. იმისათვის, რომ გამოიყენოთ ეს მეთოდი, ჯერ დაგჭირდებათ სტოქსის კანონი. სტოქსის კანონი უკავშირდება ჩათრევის ძალასვმცირე სფეროზე, რომელიც ბლანტი სითხის მეშვეობით მოძრაობს სიბლანტისკენ, სფეროს რადიუსშირდა სფეროს ტერმინალური სიჩქარევმეშვეობით:
F = 6 \ pi \ eta r v
ახლა, როდესაც ეს კანონი გაქვთ, შეგიძლიათ შექმნათ თქვენი საკუთარი ვარდნის ბურთულიანი ვისკომეტრი.
რაც დაგჭირდებათ
- მმართველი
- შეაჩერე ყურება
- დიდი დამთავრებული ცილანდა
- პატარა მარმარილო ან ფოლადის ბურთი
- სითხე, რომლის სიბლანტის გაზომვა გსურთ
გამოთვალეთ სითხის სიმკვრივე სითხის ცნობილი მოცულობის მასით და მისი მასის მოცულობით დაყოფით.
გამოთვალეთ ბურთის სიმკვრივე ჯერ მისი დიამეტრის გაზომვით და V = 4 / 3πr ფორმულის გამოყენებით3 მისი მოცულობის გამოსათვლელად. შემდეგ აწონეთ ბურთი და გაყავით მასა მოცულობით.
გაზომეთ ბურთის ტერმინალური სიჩქარე, რადგან ის ჩამდინარე ცილინდრში სითხის მეშვეობით მოდის. სქელ სითხეში მარმარილო საკმაოდ სწრაფად მიაღწევს მუდმივ სიჩქარეს. დრო, რამდენ ხანში უნდა გაიაროს ბურთი დამთავრებულ ცილინდრზე არსებულ ორ მონიშნულ წერტილს შორის, შემდეგ კი გაიყო ეს მანძილი დროის განსაზღვრისთვის, სიჩქარის დასადგენად.
სითხის სიბლანტის პოვნა შესაძლებელია სტოქსის კანონის გამოყენებით და სიბლანტის გადასაჭრელად:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
სადაც F ამ შემთხვევაში არის გადაადგილების ძალა. ჩათრევის ძალის დასადგენად, თქვენ უნდა დაწეროთ წმინდა ძალის განტოლება და ამოხსნათ იგი. წმინდა ძალის განტოლება, როდესაც ბურთი ტერმინალის სიჩქარეზეა:
F_net = F_b + F - F_g = 0
სადვბგამაძლიერებელი ძალაა დავგარის გრავიტაციული ძალა. F– ს გადაჭრა და გამოთქმების ჩართვა მიიღებთ:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
სადვბარის ბურთის მოცულობა,ρბარის ბურთის სიმკვრივე დაρვ სითხის სიმკვრივეა.
აქედან ხდება სიბლანტის ფორმულა:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
უბრალოდ შეაერთეთ გაზომილი მნიშვნელობები ბურთის რადიუსის, ბურთის და სითხის სიმკვრივისა და ტერმინალის სიჩქარისთვის, რომ გამოთვალოთ საბოლოო შედეგი.
