شاید تابحال در مورد ویسکوزیته چیزی شنیده باشید و در برخی اصطلاحات روزمره اسمی از آن برده باشید ولی دقیقا با توضیحات و جزئیات آن آشنا نباشید و اینکه در مورد موقعیت های مختلف سیال و رفتارهای مختلف آن بخواهید اطلاعاتی را بدست بیاورید. در این صورت باید با مفهوم ویسکوزیته آشنا شوید و بدانیم دقیقا ویسکوزیته چیست و چه کاربرد و انواعی دارد؟ و اینکه گرانروی چیست و نوع اندازه گیری و محاسبات مربوط به گرانروی یک سیال چطور انجام می شود؟ برای پاسخ دادن به این سوالات می خواهیم در ادامه ی این مطلب شما را با این مفهوم آشنا کنیم.
گرانروی یا ویسکوزیته چیست؟
برای پاسخ به این سوال که باید بگوییم که ویسکوزیته در لغت به معنی گرانروی (Viscosity) است و معنی آن میزان مقاومت انواع مایعات در مقابل جاری شدن می باشد. گرانروی تاثیر کاملا مستقیم بر روی مقدار آب بندی روغن و البته میزان مصرف انواع روغن دارد که در بعضی شرایط متفاوت مانند درجه حرارت، آسانی کار با ماشین آلات را مخصوصا در آب و هوای سرد تامین خواهد کرد.
اگر بخواهیم بصورت ساده بگوییم از سیالات و مایعات مختلف ماده ی آب دارای گرانروی و ویسکوزیته بسیار کمی است و در مقابل آن ماده غذایی عسل ویسکوزیته بسیار بالایی دارد. از طرفی می توان گفت که گرانروی یا ویسکوزیته مایعات تابعی از میزان دما و گرما است به این معنی که هرچه میزان دما افزایش یابد گرانروی کم خواهد شد و همچنین با کاهش دادن دما میزان گرانروی افزایش خواهد یافت.
اگر بخواهیم معنی جدیدی را در مورد ویسکوزیته بدانیم در دانشنامه ی بریتانیکا، مقاومت هر سیال در برابر حرکت قسمت های مجاور و تغییر شکل آن را نسبت به یکدیگر گرانروی می نامند. پس می توانیم بگوییم که ویسکوزیته به معنای مخالفت با سیالات و جریان بودن است که هر میزان سیال راحتتر جریان داشته باشد مقدار ویسکوزیته پایینتر خواهد بود و به همین خاطر مقدار گرانروی عسل بسیار بیشتر از آب خواهد بود.
از طرفی وقتی مایعی که مجبور به حرکت کردن باشد تا حدی سایر بخش های مجاور را حمل می کند که می توانیم ویسکوزیته را بعنوان اصطکاک داخلی بین مولکولی در نظر بگیریم. باید توجه داشت که چنین مقدار اصطکاکی نباید با اختلاف سرعت بخش های مختلف داخل یک سیال اشتباه گرفته بشود. گرانروی را میتوان عاملی برای تعیین نیروهایی دانست که هنگام انتقال سیالات در خطوط لوله و روغن کاری باید بر آنها غلبه کند. پس جریان مایع در فرایندهایی مثل قالب گیری تزریقی و پوشش دهی سطح کنترل و همچنین اسپری و پاشش کنترل خواهد شد. لازم به ذکر است برای اینکه با تمامی جزئیات مورد نظر برای ویسکوزیته سیالات بیشتر آشنا شویم می توانیم از تدریس اساتید باتجربه در فیلم های آموزشی فرادرس استفاده کنیم.
آشنایی با انواع ویسکوزیته
در این بخش می خواهیم بررسی کنیم انواع ویسکوزیته چیست و هرکدام با هم چه تفاوت هایی دارند. بصورت کلی دو نوع ویسکوزیته در ارتباط با سیالات و مایعات داریم که می خواهیم آنها را بررسی و مقایسه کنیم که این دو نوع عبارتند از :
- ویسکوزیته دینامیک
- ویسکوزیته سینماتیک
در ادامه به شرح هرکدام از انواع ویسکوزیته می پردازیم.
معرفی ویسکوزیته دینامیک و پویا
منظور از ویسکوزیته پویا و دینامیک این است که مقدار انرژی لازم جهت جابجا کردن یک جسم از راه روان کننده ها را ویسکوزیته دینامیک می گوییم که برای اندازه گیری ویسکوزیته دینامیک می توانیم از تست شبیه ساز Cold Crack Sim استفاده کنیم که می توانیم در این حالت مشخص کنیم درجه حرارت پایین هر نوع روغنی به تعیین درجه ویسکوزیته کمک می کند.
برای خیلی از سیالات و مایعات، میزان تنش مماسی یا برشی که باعث جریان خواهد شد مستقیما متناسب با مقدار کرنش برشی یا مقدار تغییر شکل نهایی سیال خواهد بود. بعبارتی دیگر یک تناسب بین تنش برشی و مقدار کرنش برشی برای یک سیال معین در دمای ثابت مقداری ثابت خواهد داشت. این مقدار ثابت را اصطلاحا گرانروی دینامیک یا پویا و یا مطلق می گوییم که مایعاتی که از این نوع رفتار تبعیت می کنند اصطلاحا سیالات نیوتونی گفته می شوند.
بطور کلی شکل معمول این مدل از ویسکوزیته را رابطه معادله ی نیوتن می نامیم. معادله ی فوق اعلام می کند که برش حاصل شده از سیال بصورت مستقیم با نیرویی که بر آن وارد می شود متناسب است که با گرانروی آن رابطه ای عکس دارد و البته شباهتی با قانون دوم نیوتن که می گوید F=ma دارد.
در این باید بدانیم که واحد ویسکوزیته چیست؟ می توانیم واحد گرانروی و ویسکوزیته را نیوتن ثانیه بر متر مربع بدانیم که در این حالت در سیستم اندازه گیری واحد یا SI بصورت پاسکال ثانیه بکار برده می شود. البته امروزه نیز از واحد پاسکال ثانیه کمتر استفاده می شود و اکثرا از واحد دین ثانیه بر سانتی متر مربع می توان استفاده کرد. این واحد البته به احترام ژان پوزی با نام پویز (Poise) گفته می شود که هر پاسکال ثانیه با ده پویز برابر است یا هر یک مینی پاسکال ثانیه با یک سانتی پوز برابر خواهد بود.
باید بدانیم که ویسکوزیته سیالات با افزایش دادن دما بسرعت کاهش خواهد یافت ولی ویسکوزیته گازها عکس آن عمل می کند و با افزایش مقدار دما گرانروی افزایش پیدا خواهد کرد. پس با گرمتر شدن سیالات و مایعات بسادگی جریان پیدا می کنند ولی گارها خیلی کند جریان پیدا می کنند. از طرفی با افزایش میزان دما گرانروی سیالات کاهش خواهد یافت ولی ویسکوزیته گازها افزایش پیدا خواهد کرد.
معرفی ویسکوزیته سینماتیک و حرکتی
میزان مقاومت سیالات در مقابل جریان پیدا کردن را ویسکوزیته و گرانروی سینماتیک می نامیم. برای اینکه سرعت جریان پیدا کردن مایعات بیشتر شود گرانروی یک ماده باید مقدار کمتری داشته باشد. بطور مثال اگر ظرفی دارای شربت و ظرف دیگری پر از آب داشته باشیم می توانیم متوجه شویم که بخاطر ویسکوزیته پایینتر آب، سریعتر جریان پیدا خواهد کرد.
پس گرانروی سینماتیک یا حرکتی را می توانیم بعنوان ویسکوزیته دینامیک سیال بنامیم که بر روی چگالی جرمی تقسیم خواهد شد.
واحد اندازه گیری گرانروی حرکتی نیز مقدار مساحت بر زمان است که واحد آن را متر مربع بر ثانیه می توانیم بنامیم. البته این مقدار واحد اندازه گیری اندازه بزرگی دارد که معمولا خیلی کم استفاده می شود و بجای آن از واحد (cm2/ s) می توان استفاده کرد. البته در سیستم اندازه گیری SI که در کلیه ی مقالات علمی این مقدار اندازه گیری کاربرد دارد از سانتیمتر گرم ثانیه استفاده می کنیم که اختصارا CGS نام دارد. در کشور انگلستان واحد اندازه گیری ویسکوزیته را استوکس و در کشور آمریکا استوک نام گذاری می کنند. عبارت استوک بمعنی یک سانتی متر مربع بر ثانیه است.
نحوه اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیک عبارتست از :
برای اندازه گیری گرانروی حرکتی،جریان مقاومتی سیال با تاثیر از جاذبه انجام می شود. این مقدار اندازه گیری بیشتر با بهره بردن از دستگاهی با نام ویکسومتر مویرگی انجام می شود.
دستگاه ویسکومتر مانند یک قوطی است که یک لوله باریک در بخش پایینی خود دارد. مقدار دو سیال با حجم های مساوی در یک دستگاه ویسکومتر مویرگی یکسان هستند و بر اثر نیروی جاذبه جریان می یابند. از نظر زمانی جریان مایع ویسکومتر در طول لوله، طول خواهد کشید.
اندیس گرانروی و ویسکوزیته چیست؟
در ابتدا باید بدانیم که انواع روغن ها به یک صورت و یک شکل به تغییر دما واکنش نشان نمی دهند برای فهم بهتر این موضوع ابتدا باید بدانیم که اندیس ویسکوزیته چیست؟
میزان توانایی مقاومت در مقابل تغییرهای ویسکوزیته را اندیس ویسکوزیته یا Viscosity Index می نامیم. البته بصورت اختصار این مقدار را با عبارت VI مشخص می کنیم.
تمامی روغن ها بخاطر میزان تغییرات دمایی توانایی مقاومت در مقابل ویسکوزیته را دارند و اندیس ویسکوزیته به مقدار چسبندگی یک روان کننده بستگی خواهد داشت که بخاطر نوسان های دمایی تغییر خواهد کرد. اندازه گیری مقدار اندیس ویسکوزیته یک روغن در دمای برابر با 40 و 100 درجه سانتیگراد انجام خواهد شد. حال اگر ویسکوزیته یک سیال تغییرات زیادی در بین این دماهای ذکر شده داشته باشد میزان اندیس ویسکوزیته پایینتر خواهد بود ولی اگر ویسکوزیته یک سیال تغییرات زیادی بین این دو دمای 40 و 100 درجه سانتیگراد نداشت مقدار اندیس ویسکوزیته بالاتر خواهد رفت.
بد نیست که یکبار دیگر بیان کنیم رابطه ی دما و گرانروی چیست؟
در این رابطه با کاهش دما مقدار ویسکوزیته افزایش می یابد ولی با افزایش دما ویسکوزیته یک سیال کاهش پیدا خواهد کرد. دلیل اینکه در زمستان روغن موتور خودرو سختتر جریان پیدا می کند ولی در تابستان راحتتر جریان می یابد نیز همین است. بد نیست بدانیم که گرانروی سینماتیک، مقدار ویسکوزیته روغن را بررسی و اندازه گیری خواهد کرد و واحد آن را سانتریستوک (CST) می نامیم و هرچه VI یک روغن بالاتر باشد تغییرات دمایی آن کمتر خواهد بود.
دلیل استفاده از روغن با اندیس گرانروری بالاتر چیست؟
در حال حاضر که با اندیس ویسکوزیته آشنا شدیم باید درباره اینکه چرا هرچقدر اندیس ویسکوزیته بالاتر است روغن بهتری در اختیار خواهیم داشت صحبت کنیم که به 2 دلیل مهم می پردازیم :
1- هرچقدر میزان اندیس ویسکوزیته یا VI بالاتر باشد مقدار مصرف روغن کاهش پیدا خواهد کرد و میزان سایش کمتر خواهد بود که این مورد با افزایش مقدار ویسکوزیته در دماهای بالاتر همراه خواهد شد.
2- دلیل دوم برای اینکه هرچه مقدار VI بالاتر باشد این است که مصرف سوخت کاهش پیدا خواهد کرد و خودرو بهتر استارت می خورد که این مورد با کاهش گرانروی و ویسکوزیته در دماهای پایینتر همراه خواهد شد.
عوامل موثر بر مقدار ویسکوزیته چیست؟
برخی از عوامل هستند که بر مقدار گرانروی و ویسکوزیته ماده تاثیرگذار هستند که در ادامه بررسی می کنیم این عوامل موثر بر ویسکوزیته چیست؟
مقدار درجه حرارت
با نگاه کردن به یک ماده که حرارت بالایی دارد می توانیم متوجه شویم که هرچقدر دما افزایش یابد مقدار ویسکوزیته کاهش می یابد بطور مثال متوجه می شویم که عسل و کره که در حالت عادی ویسکوزیته بالایی دارند با افزایش دما جریان پیدا می کنند و مقدار گرانروی آنها کاهش پیدا می کند. پس می توان نتیجه گرفت که روغن موتور خودرو و همچنین کلیه ی سیالات مکانیکی و هیدرولیکی در روزهای زمستانی که دمای پایینی دارند به مقدار قابل توجهی ویسکوز خواهند شد پس در این حالت عملکرد و کارکرد خودروها و سایر وسایل مکانیکی نیز در ماه های سرد تاثیر خواهند گرفت.
بصورت کلی ویسکوزیته هر مایعی با گرمتر شدن کاهش خواهد یافت و سرعت حرکت مولکول های آن افزایش می یابد که منجر به حرکت روانتر و سریعتر می شود پس مقدار زمانی که مولکول ها با مولکول های مجاور و نزدیک خود تماس دارند کاهش پیدا می کند.
نوع تاثیر درجه حرارت بر روی گازها هم جالب است که عکس مایعات عمل می کنند. یعنی وقتی مایعات را گرمتر می کنیم روانتر می شوند ولی وقتی گازها را گرمتر می کنیم غلیظ تر خواهند شد. ویسکوزیته گازها با افزایش پیدا کردن دما افزایش خواهند یافت. این اتفاق بخاطر افزایش یافتن فرکانس برخورد بین مولکول های گازی در دماهای بیشتر بوجود می آید. در اغلب اوقات مولکول گازها در فضای خلاء بصورت آزادانه حرکت خواهند کرد و هر علتی که تعداد این تماس های بین مولکولی گازها را افزایش دهد، مقدار توانایی تمام مولکولها جهت حرکت کاهش می دهد و هرچه میزان برخورد این مولکول ها بیشتر باشد حرکت آنها نیز بی نظم تر خواهد شد.
نوع ماده
گرانروی مواد قبل از هر چیز دیگری تابع نوع ماده است. بطور مثال مقدار ویسکوزیته آب بعنوان سیالترین مایع در دمای 20 درجه سانتیگراد برابر با 1.0020 میلی پاسکال ثانیه است. اکثر مایعات و سیالات معمولی ویسکوزیته بین 1 تا 1000 ملی پاسکال ثانیه دارند. ولی گازها ویسکوزیته بین 1 تا 10 میکرو پاسکال ثانیه دارند. از طرفی گرانروی مایعاتی مانند خمیرها، ژل ها، امولوسیون ها، عسل و … از این مقدار بالاتر می باشد. بعضی از چربی ها مثل مارگارین و کره اصطلاحا آنقدر ویسکوز هستند که به مواد جامد نرم بیشتر شبیه هستند.
فشار
بطور کلی ویسکوزیته مستقل از فشار و چگالی است ولی سیالات تحت فشار بالا بیشتر افزایش ویسکوزیته را تجربه خواهند کرد. از طرفی مایعات هم بطور معمول قابلیت تراکم ندارند، افزایش پیدا کردن فشار می تواند به نزدیک شدن مولکولها به همدیگر کمک کند. همانطور که مشاهده می کنیم موضوع ویسکوزیته و گرانروی سیالات مبحث بسیار مهم و کاربردی در مورد انواع مایعات است که به نوبه ی خود می تواند تاثیر مستقیمی بر روی کارکرد و عملکرد صنایع مختلف داشته باشد.
جمع بندی درباره ی ویسکوزیته و گرانروی
در این مطلب با موضوع ویسکوزیته و مفاهیم آن بصورت کلی آشنا شدیم و برخی جوانب تاثیر گذار بر روی آن را شرح دادیم. در ادامه کاربردهای مبحث گرانروی را یاد گرفتیم و بیان کردیم انواع ویسکوزیته چیست و چه تفاوت هایی با هم دارند که شامل ویسکوزیته دینامیکی و سینماتیکی می شوند. پیشنهاد می کنیم برای اینکه با مبحث گرانروی بصورت کامل آشنا شوید و تمامی جزئیات و اطلاعات مربوط به آن را درک کنید از فیلم های آموزشی فرادرس و محتوای پروژه محور آن بهرمند شوید
