Категоріярідиниохоплює безліч різних речовин, які можна відрізнити між собою різними способами, включаючи хімічний склад, полярність, щільність тощо. Ще однією властивістю рідин є величина, відома якв'язкість.
Що таке в'язкість?
Припустимо, у вас є чашка води і чашка сиропу. Коли ви виливаєте рідини з цих чашок, ви помічаєте чітку різницю в течії кожної рідини. Вода виливається швидко і легко, тоді як сироп виливається повільніше. Ця різниця обумовлена різницею їх в’язкості.
В'язкість є мірою опору рідини потоку. Це також можна сприймати як міру товщини рідини або її стійкості до предметів, що проходять через неї. Чим більший опір потоку, тим вища в'язкість, тому в попередньому прикладі сироп має вищу в'язкість, ніж вода.
Що викликає в'язкість?
В'язкість обумовлена внутрішнім тертям між молекулами в рідині. Подумайте про течучу рідину, що складається з шарів, що рухаються один відносно одного. Ці шари труться один про одного, і чим більше тертя, тим повільніше потік (або тим більше сили, що потрібна для досягнення потоку).
Багато факторів можуть впливати на в’язкість речовини; серед них - температура. Нагадаємо, що температура є мірою середньої кінетичної енергії на молекулу речовини. Більш висока середня кінетична енергія на молекулу призводить до швидшого руху молекул і, отже, меншої в'язкості для рідин. Наприклад, якщо підігріти сироп у мікрохвильовці, ви можете помітити, що він тече легше.
Однак для газів більш висока температура насправді змушує їх «загустіти», а їх в'язкість зростає із збільшенням температури. Це пов’язано з тим, що для газів при низьких температурах молекули рідко стикаються або взаємодіють між собою, тоді як при більш високих температурах набагато більше зіткнень. В результаті зростає опір потоків газів.
Форма молекул у рідині також може впливати на в'язкість. Молекули округлення можуть котитися один біля одного легше, ніж молекули з гілками та менш рівномірною формою. (Уявіть, що висипаєте відро з мармуровими кущами проти купи валетів.)
Напруга зсуву та швидкість зсуву
Два фактори, які пов'язані з математичним формулюванням в'язкості, - це напруга зсуву та швидкість зсуву. Для того, щоб зрозуміти формальне визначення в'язкості, перш за все важливо зрозуміти визначення цих величин.
Розглянемо метод наближення потоку рідини як шари рідини, що протікають один над одним. Якщо ми думаємо про поточну рідину, подібну цій, то напруга зсуву - це сила, що штовхає один шар через інший, поділена на площу шарів. Більш формально це можна сказати як відношення силиFзастосовується з площею перерізуAматеріалу, паралельного прикладеному зусиллю.
Напруга на зсув часто позначається грецькою буквою тауτ, а отже, відповідним математичним виразом є:
\ tau = \ frac {F} {A}
Швидкість зсуву - це, по суті, швидкість, з якою шари рідини рухаються один над одним. Більш формально це визначається наступним чином:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Де Δv- різниця в швидкості між двома шарами, іхє розділення шару.
Позначення γ крапкою пояснюється тим, що γ є зсувом, а перша похідна (швидкість зміни) змінної часто позначається крапкою над асоційованою змінною. Використовуючи числення, швидкість безперервного зсуву буде подана якdv / dxзамість цього також називається градієнтом швидкості.
Типи в'язкості
В'язкість буває декількох різних типів. єдинамічнийв'язкість, також званаабсолютнийв'язкість, яку зазвичай називають в'язкістю, коли говорять просто "в'язкість". Але є і такекінематичнийв'язкості, що має дещо іншу математичну формулювання.
Динамічна або абсолютна в'язкість - це відношення напруги зсуву до швидкості зсуву, як показано в наступному рівнянні:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ точка {\ gamma}}
Поширене формулювання цього співвідношення називається рівнянням Ньютона і пишеться таким чином:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Кінематична в'язкість визначається як абсолютна в'язкість, поділена на масову щільність:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Розглянемо дві рідини, які можуть мати однакову динамічну в’язкість, але різну щільність маси. Ці дві рідини будуть виливатися з ємності з різною швидкістю під впливом сили тяжіння, оскільки рівна кількість кожного матиме різні гравітаційні сили, що діють на них (пропорційні їх меси). Кінематична в'язкість враховує це шляхом ділення на щільність маси, і, отже, може розглядатися як міра опору потоку під впливом сили тяжіння.
Одиниці в’язкості
Використовуючи одиниці SI, оскільки напруга зсуву була в Н / м2 і швидкість зсуву становила (м / с) / м = 1 / с, тоді динамічна в'язкість має одиниці Нс / м2 = Pa s (паскаль-секунда). Однак найпоширенішою одиницею в'язкості є дин-секунда на квадратний сантиметр (дин с / см2) де 1 дин = 10-5 Н. Одна дина-секунда на квадратний сантиметр називається аврівноваженістьпісля французького фізіолога Жана Пуазейля. Одна паскаль-секунда дорівнює 10 урахуванням.
Одиницею кінематичної в’язкості SI є просто m2/ с, хоча найбільш поширеною одиницею в системі CGS є квадратний сантиметр в секунду, який за ірландським фізиком Джорджем Стоксом називають стоком (St).
Типові значення в'язкості
Більшість рідин мають в'язкість від 1 до 1000 мПа с, тоді як гази мають низьку в'язкість, як правило, від 1 до 10 мкПа с. В'язкість води становить близько 1,0020 мПа с, тоді як в'язкість крові становить від 3 до 4 мПа с (що надає нового значення висловлюванню, що кров густіша за воду!)
Рослинні олії мають в'язкість від 25 до 100 мПа с, в той час як моторне та машинне масла мають в'язкість близько декількох сотень мПа с.
Повітря, яким ви дихаєте, має в'язкість близько 18 мкПа с.
Розплавлене скло є однією з найбільш в'язких рідин із високою в'язкістю, що наближається до нескінченності у міру затвердіння. При температурі плавлення в'язкість скла становить близько 10 Па с, в той час як це зростає в 100 разів у робочій точці і в 10 разів11 в точці відпалу.
Ньютонівські рідини
Рідина Ньютона - це рідина, в якій напруга зсуву лінійно пов'язана зі швидкістю зсуву. У такій рідині в'язкість для цієї рідини є постійною величиною. (У неньютонівській рідині в'язкість виявляється динамічною функцією іншої змінної, наприклад часу.)
Не дивно, що з рідинами Newtonion легше працювати і моделювати. Зручно, що багато загальноприйнятих рідин є Ньютоніоном до хорошого наближення. Деякі поведінки, які можуть проявляти неньютонівські рідини, включають рідини, в язкості яких змінюється зі швидкістю зсуву, та рідини, які стають менш або більш в'язкими при струшуванні, збудженні або порушенні.
Вода і повітря - приклади рідин Ньютоніона. Прикладами неньютонівських рідин є фарба, що не капає, деякі розчини полімерів і навіть кров. Улюбленою неньютонівською рідиною в одній школі є ооблек - суміш кукурудзяного крохмалю та води, яка при швидкій роботі майже тверда, а потім тане, залишаючись наодинці.
Поради
Як зробити oobleck:Змішайте 2 частини кукурудзяного крохмалю з 1 частиною води. За бажанням додайте невелику кількість харчового барвника. Спробуйте пробити розчин або сформувати його в кульку, а потім дати йому розтанути в ваших руках!
Як виміряти в'язкість
В'язкість можна виміряти кількома різними способами. Сюди входить використання таких інструментів, як віскозиметр, або будь-яка кількість експериментів “зроби сам”.
Віскозиметри найкраще використовувати на ньютонівських рідинах і, як правило, працюють одним із двох способів. Або невеликий предмет рухається через нерухому рідину, або рідина протікає повз нерухомий об’єкт. Вимірюючи відповідний опір, можна визначити в'язкість. Капілярні віскозиметри працюють, визначаючи час, необхідний для проходження певного об’єму рідини через капілярну трубку певної довжини. Падіння кульових віскозиметрів вимірює час, протягом якого кулька падає через зразок під впливом сили тяжіння.
Для вимірювання в'язкості неньютонівських рідин часто використовують реометр. Реологія - це назва галузі фізики, яка вивчає потік рідин і м’яких твердих речовин і спостерігає, як вони деформуються. Реометр дозволяє визначити більше змінних при вимірюванні в'язкості, оскільки неньютонівські рідини не мають постійних значень в'язкості. Два основних типи реометрів:зсувреометри (які контролюють прикладене напруження зсуву) тарозширювальнийреометри (які працюють на основі прикладеного зовнішнього напруги зсуву).
Вимірювання в’язкості своїми руками
Далі описується, як можна виміряти в’язкість рідини вдома, використовуючи кілька простих матеріалів. Однак для того, щоб застосувати цей метод, вам спочатку знадобиться закон Стокса. Закон Стокса стосується сили опоруFна невеликій кулі, що рухається через в'язку рідину до в'язкості, радіусу кулірі кінцева швидкість сфериv, через:
F = 6 \ pi \ eta r v
Тепер, коли у вас є цей закон, ви можете створити свій власний падаючий кульовий віскозиметр.
Речі, які вам знадобляться
- Лінійка
- Секундомір
- Великий градуйований киндер
- Маленька мармурова або сталева кулька
- Рідина, в’язкість якої ви хочете виміряти
Обчисліть щільність рідини, зваживши відомий об’єм рідини і поділивши її масу на об’єм.
Обчисліть щільність кульки, попередньо вимірявши її діаметр і використовуючи формулу V = 4 / 3πr3 для обчислення його обсягу. Потім зважте кульку і розділіть масу на об’єм.
Виміряйте кінцеву швидкість кулі, коли вона падає через рідину в градуйованому циліндрі. У густій рідині мармур досить швидко досягне постійної швидкості. Вкажіть час, скільки часу потрібно кульці, щоб пройти між двома позначеними точками градуйованого циліндра, а потім розділіть цю відстань на час, щоб визначити швидкість.
В'язкість рідини можна знайти за допомогою закону Стокса та вирішення проблеми в'язкості:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Де F у цьому випадку - сила опору. Для того, щоб визначити силу опору, ви повинні написати рівняння чистої сили та розв’язати його. Рівняння чистої сили, коли куля знаходиться на кінцевій швидкості, дорівнює:
F_net = F_b + F - F_g = 0
ДеFbє плавучою силою іFg- сила тяжіння. Вирішуючи F та підключаючи вирази, ви отримуєте:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
ДеVb- об’єм кульки,ρb- щільність кульки іρf - щільність рідини.
Звідси формула в'язкості стає:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Просто підключіть виміряні значення радіуса кулі, щільності кульки та рідини та кінцевої швидкості для обчислення кінцевого результату.