Kategorijaskysčiųapima daug įvairių medžiagų, kurias galima atskirti viena nuo kitos įvairiais būdais, įskaitant cheminę sudėtį, poliškumą, tankį ir pan. Kita skysčių savybė yra kiekis, žinomas kaipklampumas.
Kas yra klampa?
Tarkime, kad turite puodelį vandens ir puodelį sirupo. Išpylę skysčius iš šių puodelių pastebite akivaizdų kiekvieno skysčio tekėjimo skirtumą. Vanduo liejasi greitai ir lengvai, o sirupas liejasi lėčiau. Šis skirtumas atsiranda dėl jų klampų skirtumo.
Klampa yra skysčio atsparumo srautui matas. Tai taip pat gali būti laikoma skysčio storio arba atsparumo pro jį praeinančiais daiktais matu. Kuo didesnis atsparumas srautui, tuo didesnė klampa, todėl ankstesniame pavyzdyje sirupo klampa yra didesnė nei vandens.
Kas sukelia klampumą?
Klampumą lemia vidinė trintis tarp skysčio molekulių. Pagalvokite apie tekantį skystį kaip susidedantį iš sluoksnių, judančių vienas kito atžvilgiu. Šie sluoksniai trinasi vienas į kitą, ir kuo didesnė trintis, tuo lėtesnis srautas (arba daugiau jėgos, reikalingos srautui pasiekti).
Medžiagos klampą gali paveikti daugybė veiksnių; tarp jų yra temperatūra. Prisiminkime, kad temperatūra yra vidutinė medžiagos molekulės kinetinės energijos matas. Didesnė vidutinė kinetinė energija, tenkanti vienai molekulei, lemia greičiau judančias molekules ir todėl mažesnė skysčių klampa. Pavyzdžiui, pašildę sirupą mikrobangų krosnelėje, galite pastebėti, kad jis teka lengviau.
Tačiau dujoms dėl aukštesnės temperatūros jos iš tikrųjų "sustorėja", o jų klampa didėja temperatūrai didėjant. Taip yra todėl, kad esant dujoms žemoje temperatūroje, molekulės retai susiduria ar sąveikauja, o aukštesnėje temperatūroje susiduriama daug daugiau. Dėl to padidėja dujų atsparumas srautui.
Skysčio molekulių forma taip pat gali turėti įtakos klampai. Apvalesnės molekulės gali prasilenkti viena su kita lengviau, nei molekulės su šakomis ir mažiau vienodos formos. (Įsivaizduokite, išpilstėte kibirą marmuro, o ne išpylėte krūvą domkratų.)
Šlyties įtempis ir šlyties greitis
Du veiksniai, susiję su matematine klampos formuluote, yra kirpimo įtempis ir kirpimo greitis. Norint suprasti oficialų klampos apibrėžimą, pirmiausia svarbu suprasti šių dydžių apibrėžimus.
Apsvarstykite skysčių srauto priartinimo būdą, kai skysčio sluoksniai teka vienas paskui kitą. Jei galvojame apie tokį tekantį skystį, šlyties įtampa yra jėga, stumianti vieną sluoksnį per kitą, padalyta iš sluoksnių ploto. Formaliau tai galima pasakyti kaip jėgos santykįFpritaikytas skerspjūvio plotuiAmedžiagos, kuri yra lygiagreti veikiamai jėgai.
Kirpimo įtempis dažnai žymimas graikišku raidžiu tauτ, taigi ir atitinkama matematinė išraiška yra:
\ tau = \ frac {F} {A}
Šlyties greitis iš esmės yra greitis, kuriuo skysčio sluoksniai juda vienas už kitą. Formaliau jis apibrėžiamas taip:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Kur Δvyra greičio skirtumas tarp dviejų sluoksnių irxyra sluoksnio atskyrimas.
Y žymėjimas tašku yra todėl, kad γ yra kirpimas, o pirmasis kintamojo darinys (pokyčio greitis) dažnai žymimas tašku virš susijusio kintamojo. Naudojant skaičiavimą, nepertraukiamo šlyties greitis būtų pateiktas kaipdv / dxvietoj to ir dar vadinamas greičio gradientu.
Klampos tipai
Klampa yra kelių skirtingų tipų. Yradinamiškasklampumas, dar vadinamasabsoliutusklampumas, kuris paprastai yra klampumas, į kurį kalbama tiesiog sakant „klampumas“. Bet yra irkinematinisklampa, kuri turi šiek tiek kitokią matematinę formuluotę.
Dinaminė arba absoliuti klampa yra šlyties įtempio ir šlyties greičio santykis, kaip parodyta šioje lygtyje:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Bendra šio santykio formuluotė vadinama Niutono lygtimi ir parašyta taip:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematinė klampa apibrėžiama kaip absoliuti klampa, padalyta iš masės tankio:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Apsvarstykite du skysčius, kurių dinaminė klampa gali būti vienoda, bet masės tankis skirtingas. Šie du skysčiai gravitacijos įtakoje iš konteinerio liejasi skirtingais greičiais, nes vienodas kiekvieno jų kiekis turės skirtingas gravitacines jėgas (proporcingas jų mišios). Kinematinis klampumas į tai atsižvelgia dalydamasis iš masės tankio, todėl jį galima laikyti vien tik atsparumo srautui matavimu veikiant vien tik gravitacijai.
Klampumo vienetai
Naudojant SI vienetus, nes šlyties įtempis buvo N / m2 o šlyties greitis buvo (m / s) / m = 1 / s, tada dinaminė klampa turi Ns / m vienetus2 = Pa s (pascal-sekundė). Tačiau labiausiai paplitęs klampos vienetas yra dyni sekundė kvadratiniame centimetre (dyne s / cm2), kur 1 dyne = 10-5 N. Viena dyne sekundė vienam kvadratiniam centimetrui vadinama abalansaspo prancūzų fiziologo Jeano Poiseuille'o. Viena paskalinė sekundė yra lygi 10 balų.
Kinematinės klampos SI vienetas yra tiesiog m2/ s, nors dažnesnis CGS sistemos vienetas yra kvadratinis centimetras per sekundę, kuris airių fiziko George'o Stokeso vardu vadinamas „Stoke“ (St).
Tipiškos klampos vertės
Daugumos skysčių klampa yra nuo 1 iki 1 000 mPa s, o dujų klampa yra maža, paprastai tarp 1-10 μPa s. Vandens klampa yra apie 1,0020 mPa s, o kraujo - nuo 3 iki 4 mPa s (suteikiant naują prasmę posakiui, kad kraujas yra storesnis už vandenį!)
Kepimo aliejų klampumas yra nuo 25 iki 100 mPa s, o variklinės ir mašininės alyvos - apie kelis šimtus mPa s.
Kvėpuojamo oro klampa yra apie 18 μPa s.
Išlydytas stiklas yra vienas iš labiausiai klampių skysčių, kurio klampa kietėja, o jo klampa artėja prie begalybės. Lydymosi temperatūroje stiklo klampa yra apie 10 Pa s, tuo tarpu jo darbo metu jis padidėja 100 kartų ir daugiau kaip 10 kartų.11 jos atkaitinimo vietoje.
Niutono skysčiai
Niutonio skystis yra toks, kuriame kirpimo įtempis yra tiesiškai susijęs su kirpimo greičiu. Tokiame skystyje to skysčio klampa yra pastovi vertė. (Ne Niutono skystyje klampa galiausiai yra dinaminė kito kintamojo, pvz., Laiko, funkcija.)
Nenuostabu, kad „Newtonion“ skysčius lengviau dirbti ir modeliuoti. Patogu, kad daugelis įprastų skysčių yra apytiksliai Newtonion. Kai kurie elgesys, kurį gali parodyti ne Niutono skystis, yra skysčiai, kurių klampa kinta priklausomai nuo kirpimo greičio, ir skysčiai, kurie purtant, sujaudinant ar sutrikus tampa mažiau ar klampesni.
Vanduo ir oras yra „Newtonion“ skysčių pavyzdžiai. Ne Niutono skysčių pavyzdžiai yra lašiniai dažai, kai kurie polimero tirpalai ir net kraujas. Vienos klasės mokyklos mėgstamiausias ne niutoniškas skystis yra oobleckas - kukurūzų krakmolo ir vandens mišinys, kuris greitai dirbdamas veikia beveik kietai, o po to ištirpsta, kai lieka vienas.
Patarimai
Kaip padaryti „Oobleck“:Sumaišykite 2 dalis kukurūzų krakmolo su 1 dalimi vandens. Jei norite, pridėkite nedidelį kiekį maistinių dažų. Pabandykite perforuoti tirpalą arba suformuoti rutulį, tada leiskite jam ištirpti rankose!
Kaip išmatuoti klampą
Klampą galima išmatuoti keliais skirtingais būdais. Tai apima tokių instrumentų kaip viskozometras ar bet kokių „pasidaryk pats“ eksperimentų naudojimą.
Viskometrus geriausia naudoti ant Niutono skysčių ir jie linkę veikti vienu iš dviejų būdų. Arba mažas daiktas juda per nejudantį skystį, arba skystis teka pro nejudantį daiktą. Matuojant susijusį pasipriešinimą, galima nustatyti klampą. Kapiliariniai viskozimetrai veikia nustatydami laiką, kurio reikia tam tikram skysčio kiekiui tekėti per tam tikro ilgio kapiliarinį vamzdelį. Krentantys rutuliniai viskozimetrai matuoja laiką, kurio reikia, kad rutulys nukristų per mėginį veikiant gravitacijai.
Norint išmatuoti ne Niutono skysčių klampumą, dažnai naudojamas reometras. Reologija - tai fizikos šaka, tirianti skysčių ir minkštųjų medžiagų srautus ir stebinti, kaip jie deformuojasi. Reometras leidžia nustatyti daugiau kintamųjų, matuojant klampumą, nes ne Niutono skysčiai neturi pastovios klampos vertės. Du pagrindiniai reometrų tipai yrakirpimasreometrai (kurie kontroliuoja taikomą kirpimo įtempį) irekstensyvusreometrai (kurie veikia pagal taikomą išorinį kirpimo įtempį).
Pasidaryk pats klampos matavimas
Toliau aprašoma, kaip galite išmatuoti skysčio klampą namuose naudodamiesi keliomis paprastomis medžiagomis. Tačiau norint taikyti šį metodą, pirmiausia reikės Stokso dėsnio. Stokso įstatymas sieja traukos jėgąFant mažos sferos, judančios klampiu skysčiu iki sferos klampos, spinduliorir sferos galinis greitisv, per:
F = 6 \ pi \ eta r v
Dabar, kai turite šį įstatymą, galite sukurti savo krentantį rutulinį viskozimetrą.
Dalykai, kurių jums prireiks
- Liniuotė
- Stop laikrodis
- Didelis graduotas cilindras
- Mažas marmurinis arba plieninis rutulys
- Skystis, kurio klampą norite išmatuoti
Skaičiuokite skysčio tankį pasverdami žinomą skysčio tūrį ir padalydami jo masę iš tūrio.
Apskaičiuokite rutulio tankį, pirmiausia išmatuodami jo skersmenį ir naudodami formulę V = 4 / 3πr3 apskaičiuoti jo tūrį. Tada pasverkite rutulį ir padalykite masę iš tūrio.
Išmatuokite rutulio galinį greitį, kai jis krenta per skystį graduotame cilindre. Tirštame skystyje marmuras gana greitai pasieks pastovų greitį. Laikas, per kiek laiko kamuolys praeina tarp dviejų pažymėtų taškų ant graduoto cilindro, tada padalykite tą atstumą iš laiko, kad nustatytumėte greitį.
Skysčio klampą galima rasti taikant Stokso dėsnį ir sprendžiant klampą:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Kur F šiuo atveju yra traukos jėga. Norėdami nustatyti pasipriešinimo jėgą, turite parašyti grynosios jėgos lygtį ir ją išspręsti. Grynosios jėgos lygtis, kai rutulys yra galiniame greičiu, yra:
F_net = F_b + F - F_g = 0
KurFbyra plūduriuojanti jėga irFgyra traukos jėga. Išsprendę F ir prijungdami išraiškas, gausite:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
KurVbyra kamuolio tūris,ρbyra rutulio tankis irρf yra skysčio tankis.
Taigi klampos formulė tampa:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Norėdami apskaičiuoti galutinį rezultatą, tiesiog prijunkite išmatuotas rutulio spindulio, rutulio ir skysčio tankio bei galinio greičio vertes.