در این پست، به تشریح و آموزش واحد ویسکوزیته دینامیکی خواهیم پرداخت. میزان انرژی مورد نیاز برای جابجایی و تغییر رفتار حرکتی یک جسم به وسیله روان کننده ویسکوزیته دینامیکی یا اصطلاحاً ویسکوزیته پویا نامیده شده و جهت قدردانی از زحمات محقق این حوزه، جناب پوازیه، برای اندازه گیری گرانروی پویا از واحد یکای P یا پویز استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، با ما همراه باشید.
مقدمه واحد ویسکوزیته دینامیکی
دوستان، قبل از شروع آموزش پست واحد ویسکوزیته دینامیکی، بهتر است مروری کوتاه بر مفهوم ویسکوزیته داشته باشیم. گران روی یا ویسکوزیته (Viscosity) سیالاتی که از جنس مایع یا گاز هستند؛ معادل با مقاومت آن سیالات در برابر جاری شدن می‌باشد. در علم فیزیک، برای بررسی رفتار انواع مختلف سیالات، دو فاکتور مهم وجود دارد و آن هم ویسکوزیته و چگالی سیال مورد نظر است.
اگر بخواهیم مفهوم ویسکوزیته را در قالب یک مثال بیان کنیم؛ در مایعات مختلف، آب از ویسکوزیته خیلی کم و عسل از ویسکوزیته بالایی برخوردار است و نکته جالب دیگر این که لزجت مایعات، تابعی از دما می‌باشد. یعنی به عبارت دیگر، می‌توان این گونه نتیجه گرفت که با افزایش دما ویسکوزیته کاهش یافته و با کاهش دما، ویسکوزیته افزایش پیدا می‌کند.
آیا ویسکوزیته فقط در حالت دینامیکی یا پویا بررسی می شود؟
دوستان عزیز، در پاسخ به این سؤال باید بگویم که خیر! این گونه نیست. دانشجویان مکانیک سیالات، به خوبی به این امر واقف هستند که در حالت مایع، ویسکوزیته در دو حوزه دینامیکی و سیستماتیک مورد بررسی قرار می‌گیرد اما اگر بخواهیم برای هر کدام از انواع گران روی، تعریف کوتاهی داشته باشیم؛ این چنین است:
همراهان گرامی، اگر یک دیس دو قسمتی مسطح را برداشته و به هر طرف آن دو مایع در دسترس، مثل روغن و آب بریزید؛ متوجه خواهید شد که آب سریع سُر می‌خورد و شکل ظرف را در آنِ واحد به خود می‌گیرد اما در مورد روغن، شرایط فرق می‌کند. روغن زمان و انرژی بیشتری نیاز دارد تا شکل ظرف را به خود بگیرد. در مورد شیر و عسل هم همین اصل برقرار است و عسل به انرژی و زمان بیشتری نیاز دارد تا به طور کامل، در داخل ظرف جاری شود.
در بیان واضح تر، آن میزان انرژی که برای جابجایی جسم با استفاده از روان کننده، مورد نیاز است را گران روی پویا نامیده اما مقاومت یا عدم تمایل یک سیال جاری مثل روغن یا عسل را برای جریان یافتن، گران روی سیستماتیک می‌گویند.
ویسکوزیته دینامیکی چیست؟
در علم فیزیک، برای تعریف ویسکوزیته دینامیکی یک اصل مهم وجود دارد و آن هم این است که در بسیاری از سیالات، تنش مُماسی که باعث ایجاد جریان می‌گردد؛ با میزان تغییر شکل نهایی سیال که کُرنش بُرشی نامیده می‌شود؛ متناسب بوده و در این حالت، نسبت تنش برشی بر میزان کرنش برشی یک سیال مایع، در دمای ثابت، یک مقدار ثابت است که به آن ویسکوزیته پویا یا دینامیکی اطلاق می‌گردد و مقدار آن از رابطه زیر محاسبه می‌شود.
ویسکوزیته مطلق یا پویا اصطلاحاً با نام سیالات نیوتونی نیز شناخته شده و به رابطه مربوط به آن، معادله نیوتن نیز گفته می‌شود. این رابطه، بیان می کند که برش ایجاد شده از سیال جاری با نیروی وارد شده متناسب خواهد بود و با ویسکوزیته حاصل از آن، ارتباط معکوس خواهد داشت. آیا این رابطه را شبیه به قانون دوم نیوتن نمی‌دانید؟ بله دوستان! تعریف و رابطه بالا، ناخودآگاه ما را به یاد قانون دوم نیوتن یا F = ma می‌اندازد.
اگر در فیزیک به قدر کافی مهارت ندارید، یا می‌خواهید یادگیری را از نو شروع کنید تا بر اطلاعاتتان افزوده شود، پیشنهاد می‌کنیم حتماً از یک منبع خوب مانند فرادرس استفاده کنید. برای دریافت مجموعه آموزش فیزیک فرادرس و مشاهده عناوین آموزش بر روی لینک زیر کلیک کنید.
واحد ویسکوزیته دینامیکی چیست؟
واحد ویسکوزیته دینامیکی در استانداردهای جهانی، نیوتن ثانیه بر متر مربع تعیین شده است که در سیستم SI به صورت پاسکال ثانیه یا Pa.s بیان می‌گردد اما کافیست در علم فیزیک، مروری بر مکانیک سیالات داشته باشید؛ متوجه خواهید شد که در متون و مقالات امروزی، واحد پاسکال ثانیه تقریباً استفاده نمی‌شود و واحد دین ثانیه بر سانتی‌مترمربع یا dyne.s/cm² جایگزین آن شده است. این واحد جهانی، به احترام آقای ژان پوزِی فیزیولوژیست سرشناس فرانسوی به نام پُویز یا Poise نام گذاری شده و بیشتر در دستگاه اندازه گیری CGS کاربرد دارد.
همراهان گرامی، محققان این حوزه با استفاده از تست Cold Crank Sim ویسکوزیته مطلق را شبیه سازی و اندازه گیری می‌کنند اما برای مقایسه ریاضی هر کدام از واحدهای بیان شده، این گونه در نظر بگیرید که بیست پویز برابر با دو پاسکال‌ثانیه و یک سانتی پوز یا cP با یک میلی پاسکال‌ثانیه یا mPa.s مساوی است. برای درک بهتر آنچه گفته شد؛ به عبارات زیر توجه کنید.
تفاوت ویسکوزیته دینامیکی مایعات و گازها
همان طور که ویژگی های مایعات و گازها در انواع حالات فیزیکی متفاوت است؛ درمورد ویسکوزیته مطلق نیز به قول قدیمی ها، تفاوت این دو از زمین تا آسمان است. به این صورت که ویسکوزیته پویای مایعات با افزایش دما، بسیار سریع کاهش می‌یابد. به نحوی که هرچه هوا گرمتر باشد؛ سیالات مایع، به راحتی به جریان افتاده و حرکت می‌کنند. در حالی که ویسکوزیته پویای گازها با افزایش دما به طرز قابل تعجبی افزایش پیدا می‌کند و با گرم شدن دمای هوای محیط، گازها به کندی جریان پیدا می‌کنند.
عوامل تأثیرگذار بر روی ویسکوزیته دینامیکی سیالات
مخاطبان عزیز، همواره در نظر داشته باشید که دانستن واحد ویسکوزیته دینامیکی و انجام محاسبات ریاضی در به دست آوردن مقدار دقیق آن، کافی نیست و عوامل مختلف دیگری بر روی مقدار ویسکوزیته تأثیر میگذارند که در ادامه به بررسی هر کدام خواهیم پرداخت.
نوع سیال جاری
گران روی حرکتی سیال جاری، در اولویت اول، به نوع ماده بستگی دارد. گران روی تعداد زیادی از مایعات، مقداری در حدود ۱ تا ۱۰۰۰ میلی پاسکال ثانیه می‌باشد اما در حالی است که در گازها مقدار ویسکوزیته در بازه 1 تا ۱۰ میکرو پاسکال ثانیه قرار می‌گیرد.
تأثیر افزایش یا کاهش درجه حرارت بر روی مایعات
همان طور که در ابتدا مقاله، اشاره شد؛ ویسکوزیته پویا و در کل گران روی سیالات با تغییرات دمایی، همواره در حال تغییر خواهد بود. اگر بخواهیم در مورد تأثیر دما بر روی ویسکوزیته یک نتیجه گیری کلی داشته باشیم؛ نتیجه این گونه بیان می‌شود که ویسکوزیته یک مایع ساده با افزایش دما، افت می‌کند و با افزایش دما، سرعت متوسط حرکت مولکول ها در همان مایع ساده، بیشتر می‌شود. بنابراین، بازه زمانی تماس مولکول های در حال حرکت با مولکول های مجاور، به طرز قابل توجهی کاهش پیدا کرده و با افزایش دما، نیروهای بین مولکولی به طور میانگین، کم می‌شود. در نمودار زیر، تأثیر دما بر روی ویسکوزیته انواع شیشه را مشاهده خواهید کرد.
تأثیر افزایش یا کاهش درجه حرارت بر روی گازها
برعکس مایعات، حرارت دادن گازها باعث غلیظ تر شدن آن ها شده و میزان دیسکوزیته مطلق گازها، با افزایش دما بیشتر می‌شود. این اتفاق، به دلیل افزایش فرکانس برخورد بین مولکولی گازها در دمای بالا است. ویسکوزیته گازها مستقل از فشار و چگالی بوده و به تعداد دفعات تماس یک مولکول گاز با مولکول دیگر را بستگی دارد. به طوری که هرچه مولکول های گاز، برخورد بیشتری با یکدیگر داشته باشند؛ حرکت آن ها بی نظم تر می‌گردد.
فشار
در بند قبلی هم، به این نکته اشاره شد که ویسکوزیته مطلق و در کل هر نوع ویسکوزیته ای مستقل از فشار خواهد بود. البته گاهی اتفاق می‌افتد که مایعات تحت تأثیر فشار زیاد، دچار افزایش ویسکوزیته می‌شوند اما فشار تأثیری بر تراکم مولکولی مایعات نخواهد گذاشت.
کاربردهای مبحث واحد ویسکوزیته دینامیکی یا گرانروی مطلق سیالات
اگر به عمق مطلب ویسکوزیته پی ببرید؛ متوجه خواهید شد که مبحث ویسکوزیته در زندگی عادی و روال روزمره ما جریان دارد. مثلاً در آشپزی، زمانی که کره را با حرارت دادن، جاری می‌سازید؛ یا قبل از درست کردن شیرعسل، عسل را حرارت می‌دهید تا به آسانی در شیر جاری شود. شما با مبحث ویسکوزیته سیالات سرو کار داشته‌اید.
نه تنها در امر آشپزی، بلکه در تعویض روغنی ها هم روزانه، بارها و بارها ویسکوزیته روغن موتور انواع خودروها یا مایعات هیدرولیکی مورد بررسی قرار می‌گیرد و به خصوص در فصول سرد سال یا در مناطق سردسیر از روغن موتورهایی استفاده می‌گردد که ویسکوزیته یا غلظت SAE آن ها کم باشد. چرا که این نوع روغن موتورها اصطکاک موتور را به حداقل می‌رسانند.
در کشور آمریکا انجمن مهندسان خودرو که اصطلاحاً SAE نامیده می‌شوند؛ گرد هم آمده‌اند تا یک سیستم کدگذاری مخصوص تحلیل رفتار موتور خودرو در دماهای پایین و بالا را طراحی کنند. این سیستم باید به نحوی کار کند که دمای موتور را از زمان استارت زدن تا کار کردن خودرو در بازه های زمانی مختلف اندازه گیری کرده و به فرد تحلیلگر ارائه دهد.
در سیستم کدگذاری آمریکایی، دو عدد به کاربر تحویل داده می‌شود. به این ترتیب که عدد اول W برگرفته از عبارت Winter بوده و نحوه رفتار موتور خودرو در فصول سرد یا مناطق سردسیر را ارائه داده و عدد دوم دمای موتور اتومبیل در حین کار را به مشتری برمی‌گرداند تا با استفاده از این داده ها، فرد قادر باشد؛ روغن موتور مناسب خودروی خود را تهیه و استفاده کند. فراموش نکنید که هر چه استارت شما سبک تر باشد؛ روغن موتورتان سیال تر عمل کرده است.
نحوه اندازه گیری ویسکوزیته
عزیزان، روش های بسیاری برای اندازه گیری انواع گران روی یا ویسکوزیته وجود دارد. در ادامه، روش هایی برای اندازه گیری میزان انواع ویسکوزیته آورده شده است تا شما با تفاوت انواع وسایل و ابزارهای مورد نیاز در این گروه، آشنا شوید.
اندازه گیری ویسکوزیته با استفاده از ویسکومتر مویرگی
لوله مویرگی یکی از قدیمی ترین وسایل اندازه گیری ویسکوزیته می‌باشد و برای تعیین ویسکوزیته دینامیکی کاربرد ندارد اما جهت تعیین ویسکوزیته سیستماتیک، قبل از استفاده از این وسیله، باید اولاً در مورد چگالی مایع موردنظر و دوماً در مورد مقدار حجم آن اطلاع داشته باشید. سپس سیال را از لوله U شکل عمودی به ابعاد شناخته شده و قطر بسیار کوچک عبور داده و زمان لازم برای رد شدن آن سیال از مسیر لوله، را سنجیده و در رابطه مربوط به ویسکوزیته سیستماتیک قرار دهید.
اندازه گیری ویسکوزیته با استفاده از رئومترهای میکروفلویدی
شما را با یک روش ابتکاری در اندازه گیری ویسکوزیته مایعات با حجم کم آشنا می‌کنم. رئومتری میکروسیال، ویسکوزیته سیال را با عبور سیال جاری، از طریق یک کانال میکروفلویدی با یک جریان آرام اندازه گیری می‌نماید. برای این منظور، ابزار Fluidicam Rheo از کانال های موجود برای جریان سیال مایع در کنار یک ماده مبنای دیگر، استفاده کرده و مقدار گران روی دینامیکی را به روش مقایسه موقعیت رابط دو سیال در کانال میکروسیال و تفاوت نرخ جریان، گران روی ماده مرجع اندازه گیری می‌کند.
اندازه گیری ویسکوزیته با استفاده از رئومتری چرخشی
نحوه اندازه گیری ویسکوزیته در این ویسکومتر، به این ترتیب است که این وسیله، یک گشتاور ضعیف به سیال جاری اعمال کرده و باعث تغییر شکل مکانیکی آن می‌شود. تحلیلگر می‌تواند با اندازه گیری مقدار گشتاور لازم برای تغییر شکل آن سیال، مقدار ویسکوزیته آن را محاسبه نموده و در پاسخ به سطوح مختلف نیروی برشی سیال، یک منحنی جریان کامل از مشخصات سیالیت مواد را رسم کند. ویسکومترهای غیرچرخشی، فقط پارامتر گران روی برشی را بررسی می‌کنند.
اندازه گیری ویسکوزیته با استفاده از ویسکومترهای ارتعاشی
در روش دیگر اندازه گیری مقدار ویسکوزیته، تحلیلگران با ایجاد ارتعاشات نوسانی بر روی مایع و بررسی اثرات میراگر (Damping Effects) اعم از ورودی برق، زمان فروپاشی نوسانات یا تغییرات در فرکانس تشدید شده، مقدار ویسکوزیته را اندازه گیری و محاسبه می‌نمایند. در بین فیزیکدانان، این روش از محبوبیت بالایی برخوردار است. همانطور که در بالا اشاره کردیم، ویسکوزیته یا لجزت یک سیال از جمله مباحث در حوزه مکانیک سیالات می‌باشد که می‌توانید در صورت علاقه مندی به این مبحث از آموزش‌های فرادرس استفاده نمایید. برای دریافت این آموزش‌ها بر روی لینک زیر کلیک کنید.
کلام آخر در رابطه با واحد ویسکوزیته دینامیکی
عزیزان، خسته نباشید. از این که تا انتهای این پست آموزشی با ما همراه بودید؛ سپاسگزارم. تا به این قسمت از آموزش، شما با مفهوم ویسکوزیته سیالات و انواع ویسکوزیته پویا و سیستماتیک آشنا شدید. در واقع، واحد و مقیاس اندازه گیری گران روی یا لزجت سیالات را می‌دانید و به خوبی از کاربردهای آن، آگاه هستید. امیدواریم با مطالعه این مقاله، بتوانید به آسانی داده های مربوط به ویسکوزیته را مورد تحلیل و بررسی قرار داده و با استفاده از ابزارهایی که برای اندازه گیری ویسکوزیته هر سیال معرفی گردید؛ تحقیقات خود را کامل تر کنید. از این که نظرات و پیشنهاداتتان را با ما در میان گذاشته و ما در هر چه بهتر شدن آموزش ها یاری می‌کنید؛ سپاسگزاریم و این مژده را به شما می‌دهیم که تیم ما آماده هستند تا به سؤالات شما عزیزان در اسرع وقت پاسخ داده و با دادن راهنمایی های لازم در خصوص آنچه گفته شد؛ شما را یاری کنند.
نظرات