Ви наливаєте мед. Він виливається густими краплями. Густий. Повільний. Вода вдаряється об раковину із плеском. Швидка. Хаотична.
Різниця полягає не лише у текстурі. Це фізика. А саме – “в’язкість”.
Більшість людей сприймають в’язкість як “густоту”. Це близько, але не відбиває суті. В’язкість – це опір, який рідини та гази надають течії та деформації. Це міра того, наскільки сильно рідина пручається, коли ви намагаєтеся змусити її рухатися.
Як працює в’язкість на молекулярному рівні
Все зводиться до внутрішнього тертя.
Подайте частинки всередині рідини. Вони не просто вільно плавають. Вони взаємодіють. Притягуються. Відштовхуються. Міцність зв’язків між атомами та молекулами визначає, наскільки легко шари рідини можуть ковзати один щодо одного.
Якщо ці зв’язки слабкі, молекули легко ковзають одна повз одну. Рідина тече. Якщо зв’язки сильні, молекули міцно тримаються одне одного. Вони пручаються розподілу. Вони пручаються деформації.
Чим вище міжмолекулярні сили тяжіння, тим вища в’язкість.
Це пряма залежність. Більш сильне тяжіння означає більший опір. Більший опір означає більш в’язку рідину.
Чому це важливо для газів та рідин
Зазвичай, ми говоримо про це в контексті рідин. Олія. Сироп. Молоко. Але гази теж мають в’язкість. У повітря теж є в’язкість. Вона просто набагато нижча, оскільки молекули знаходяться далі один від одного і взаємодіють рідше.
В’язкість — одна з основних характеристик рідин і газів. Не можна визначити рідину, не вказавши, як вона пручається течії.
Подивіться це так:
- Низька в’язкість : рідина тече легко. Мале внутрішнє тертя. Наприклад, вода чи спирт.
- Висока в’язкість : рідина пручається течії. Велике внутрішнє тертя. Наприклад, патока або густа моторна олія.
Опір повністю залежить від того, наскільки сильно молекули або частинки намагаються залишатися разом, коли ви змушуєте їх розлучатися.
Так що, коли ви бачите рідину, що рухається, ви насправді спостерігаєте битву. Ви спостерігаєте, як зовнішня сила намагається подолати внутрішнє молекулярне тяжіння. Хто переможе, визначає швидкість.
Як насправді вимірювати в’язкість без ворожінь
Не можна просто оцінити це на око. Принаймні не зовсім. Потрібні інструменти. А саме в’язкомір або реометр. Ці пристрої не просто спостерігають за рідиною; вони вимірюють опір. Результат? Число, яке позначається грецькою літерою μ (мю). Це символ динамічної в’язкості.
Але як її розрахувати? Потрібно звернутися до Ньютона. Його закон в’язкості дає формулу:
𝞽 = μ(u/y)
Виглядає просто. Але це негаразд. Ось що означають змінні у реальному світі:
- 𝞽 – це дотична напруга. Подайте його як тангенціальний тиск, що діє на поверхню.
- μ – це сама динамічна в’язкість.
- u – швидкість рідини.
- y — відстань чи деформація між шарами рідини.
У системі СІ одиницею виміру є паскаль-секунда (Па·с). Але інженери та вчені часто розмовляють іншими мовами. Пуаз (П) походить із системи СГС і дорівнює 0,1 Па·с. Ви, найімовірніше, найчастіше зустрінете сантипуаз (сП) — це 0,01 пуаза, чи 10 Па·с. Потім є грами на сантиметр-секунду (г/см·с), що є іншим способом сказати 1 пуаз. Ньютони на секунду на квадратний метр (Н·с/м²) і кілограми на метр-секунду (кг/м·с) обидва дорівнюють 1 Па·с. Це хаос одиниць виміру, але вони відображають одну й ту саму фізичну реальність.
Чому йогурт поводиться інакше, ніж вода
В’язкість – це не фіксована характеристика. Вона залежить від рідини. І від температури.
Візьмемо воду. Нагрійте її, і вона тектиме швидше. В’язкість падає. Більшість рідин поводяться так. А гази? Вони роблять навпаки. Нагрійте газ, і його в’язкість збільшиться. Чому? Тому що за більш високих температур частинки зіштовхуються частіше, створюючи більше внутрішнє тертя. Це контрінтуїтивно, якщо ви звикли думати лише про рідини.
Потім є тип рідини. Ви маєте справу з ньютонівською рідиною чи неньютонівською?
Вода та більшість газів є ньютонівськими. Перемішуйте їх швидко або повільно, і їхня в’язкість залишається незмінною. Внутрішній опір завжди незалежно від прикладеної сили.
Йогурт, фарба та желатин – ні. Це неньютонівські рідини. Їхня в’язкість змінюється при додатку сили. Йогурт густо та нерухомо лежить на ложці. Перемішайте його, і він раптово починає текти. Перестаньте заважати, і він знову загусне. Така поведінка створює градієнт швидкості між шарами рідини. Різні частини рідини рухаються з різною швидкістю, тому що внутрішнє тертя варіюється.
Тут мають значення молекулярні сили. Сильне міжмолекулярне тяжіння означає вищу в’язкість. Слабке тяжіння означає, що рідина легко ковзає. Рідина з нульовою в’язкістю – це теоретична конструкція, звана “ідеальною рідиною” або надплинною рідиною. Вона не існує на вашій кухні, але важлива у фізиці.
Динамічна та кінематична в’язкість: у чому різниця?
Вам потрібно знати, про що саме йдеться.
Динамічна в’язкість (або абсолютна в’язкість) – це внутрішній опір між молекулами. Саме вона утримує рідину разом, не даючи їй розсіюватись. Ми вже розглянули її символ, μ, та одиницю виміру, паскаль-секунду.
Кінематична в’язкість — це інше. Вона пов’язує динамічну в’язкість із щільністю. Символ – ν (ню). Формула:
ν = μ / ρ
Де ρ — густина рідини.
Оскільки вона включає густину, одиниці виміру змінюються. У системі СГС одиницею є стокс (Ст), який дорівнює квадратним сантиметрам за секунду (см²/с). Ви часто побачите сентистокс (Ст), який дорівнює 0,01 стокса. У системі СІ це квадратні метри на секунду, хоча більшість поширених рідин це велике число.
Чому їх розрізняють? Тому що динамічна в’язкість говорить вам про силу, необхідну для переміщення рідини. Кінематична в’язкість каже вам, як рідина тече під впливом гравітації. Одна стосується зусиль; інша – швидкості потоку.
В’язкість повсякденних речовин
Вода при 20°C має в’язкість 1 сантипуаз. Це мало. Вона легко виливається. Це одна з найменш в’язких поширених рідин.
Порівняйте це з маслом. Будь то кулінарна олія з насіння або паливна олія з рафінованої нафти, олія в’язка. Паливна олія особливо густа. Воно чинить опір потоку, тому двигунам потрібні насоси та тиск, щоб переміщати його.
Гель для волосся і шампунь також мають високу в’язкість. Їхні молекули пручаються руху. Потрясіть пляшку, і вони стануть менш в’язкими. Дайте їм спокій, і вони можуть навіть здаватися твердими. Насправді вони є неньютонівськими, змінюючи текстуру залежно від збовтування.
Гліцерин — ще один приклад. Міститься у тварин та рослинних жирах, використовується в милі та косметиці завдяки своїй густій, липкій природі. Він не тече, як вода.
Ртуть – рідкий метал. Вона щільна і має власний специфічний профіль в’язкості, використовується в промислових процесах і історично в медичних пристроях. Вона поводиться інакше, ніж органічні рідини, через металевий зв’язок.
Сиропи в’язкі через вміст цукру. Висока концентрація твердих розчинених речовин створює опір між молекулами. Вони течуть повільно, навмисно.
Розуміння в’язкості — не просто знання того, наскільки щось густе. Це передбачення того, як речовина поводитиметься, коли ви штовхаєте її, нагріваєте або даєте спокій.
