ویسکوزیته یا گرانروی چیست و چگونه محاسبه می شود؟

در دنیای علم و صنعت، مفاهیمی مانند جریان سیالات نقش کلیدی ایفا می‌کنند. یکی از این مفاهیم اساسی، ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟ این سؤال ساده، دریچه‌ای به دنیای پیچیده رفتار مایعات و گازها باز می‌کند. ویسکوزیته یا گرانروی، مقاومتی است که یک سیال در برابر حرکت یا تغییر شکل نشان می‌دهد. تصور کنید عسل را در یک قاشق بریزید؛ آن به آرامی و با مقاومت حرکت می‌کند، در حالی که آب به راحتی سرازیر می‌شود. این تفاوت دقیقاً به ویسکوزیته مربوط است. در این مقاله، به طور جامع به ویسکوزیته یا گرانروی چیست می‌پردازیم و چگونگی محاسبه آن را بررسی می‌کنیم. با زبانی ساده و خوانا، از تعریف تا کاربردها را کاوش خواهیم کرد تا درک کاملی از این مفهوم به دست آورید.

ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟ به عبارت ساده، آن اصطکاک درونی بین لایه‌های یک سیال است که مانع از لغزش آسان آن‌ها بر روی یکدیگر می‌شود. این ویژگی نه تنها در آشپزخانه روزمره، بلکه در صنایع عظیم مانند نفت، خودروسازی و داروسازی حیاتی است. بدون درک ویسکوزیته، نمی‌توان روغن موتور مناسبی انتخاب کرد یا سیالات را در لوله‌ها بهینه انتقال داد. در ادامه، قدم به قدم به عمق این موضوع نفوذ می‌کنیم.

محصولات مرتبط: خرید پمپ دیافراگمی

تعریف ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟

ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟ گرانروی، خاصیت ذاتی سیالات است که مقاومت آن‌ها را در برابر جریان یا برش نشان می‌دهد. در واقع، وقتی نیروی خارجی به سیال وارد می‌شود، لایه‌های آن تمایل به حرکت نسبی دارند، اما نیروهای بین‌مولکولی مانند چسبندگی، این حرکت را کند می‌کنند. این پدیده را می‌توان به اصطکاک بین سطوح جامد تشبیه کرد، با این تفاوت که در سیالات، همه چیز پویا و سیال است.

از دیدگاه فیزیکی، ویسکوزیته نرخ انتقال تکانه از لایه سریع‌تر به لایه کندتر را توصیف می‌کند. مثلاً در جریان یک رودخانه، لایه‌های بالایی آب سریع‌تر حرکت می‌کنند، اما گرانروی باعث می‌شود تکانه به لایه‌های پایینی منتقل شود و سرعت کلی یکنواخت شود. این مفهوم توسط ایزاک نیوتن در قرن هفدهم توصیف شد، که آن را به عنوان نسبت تنش برشی به نرخ کرنش برشی تعریف کرد.

در سیالات نیوتنی – مانند آب یا الکل – ویسکوزیته ثابت است و مستقل از سرعت برش عمل می‌کند. اما در سیالات غیرنیوتنی، مانند خمیر دندان یا خون، ویسکوزیته با اعمال نیرو تغییر می‌کند. مثلاً سس کچاپ با تکان دادن ناگهانی رقیق‌تر می‌شود. ویسکوزیته یا گرانروی چیست اگر نه این تنوع شگفت‌انگیز در رفتار سیالات؟ درک این تعریف، پایه‌ای برای محاسبات بعدی است.

تاریخچه مختصری از ویسکوزیته یا گرانروی

برای پاسخ به ویسکوزیته یا گرانروی چیست، باید به ریشه‌های تاریخی آن نگاهی بیندازیم. ایزاک نیوتن در کتاب “اصول ریاضی فلسفه طبیعی” (۱۶۸۷) نخستین بار رابطه ریاضی ویسکوزیته را بیان کرد. او فرض کرد که نیروی لازم برای حرکت یک صفحه بر روی سیال، متناسب با سرعت و سطح تماس است. این ایده بعدها توسط ژان لئونارد ماری پوازوی در سال ۱۸۴۹ با آزمایش‌های تجربی تأیید شد. پوازوی، فیزیولوژیست فرانسوی، جریان خون در مویرگ‌ها را مطالعه می‌کرد و معادلات جریان آرام را توسعه داد.

در قرن نوزدهم، جرج گابریل استوکس قانون سقوط گوی در سیال را فرمول‌بندی کرد، که ابزاری کلیدی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته شد. امروزه، مدل‌های پیشرفته‌تری مانند مدل ساسرلند برای گازها وجود دارد که وابستگی به دما را دقیق‌تر توصیف می‌کند. این تاریخچه نشان می‌دهد که ویسکوزیته یا گرانروی چیست نه تنها یک مفهوم علمی، بلکه نتیجه تلاش‌های قرن‌ها برای فهم جهان مادی است.

محصولات مرتبط: قیمت دوزینگ پمپ

انواع ویسکوزیته یا گرانروی

ویسکوزیته یا گرانروی چیست و آیا انواع مختلفی دارد؟ بله، ویسکوزیته به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود: دینامیکی و سینماتیکی.

ویسکوزیته دینامیکی (مطلق)

این نوع، مقاومت مطلق سیال در برابر برش را اندازه می‌گیرد. فرمول پایه آن از معادله نیوتن می‌آید: τ = μ (du/dy) که τ تنش برشی، μ ویسکوزیته دینامیکی، و du/dy گرادیان سرعت است. این مقدار به نیروهای بین‌مولکولی وابسته است و برای سیالات نیوتنی ثابت می‌ماند. مثلاً ویسکوزیته آب در ۲۰ درجه سانتی‌گراد حدود ۱ میلی‌پاسکال‌ثانیه (mPa.s) است، در حالی که عسل می‌تواند تا ۲۰۰۰ برابر بیشتر باشد.

ویسکوزیته سینماتیکی

این نوع، ویسکوزیته دینامیکی را بر چگالی سیال تقسیم می‌کند: ν = μ / ρ که ρ چگالی است. سینماتیکی برای جریان تحت جاذبه مفید است، مانند اندازه‌گیری زمان ریزش روغن از لوله. واحد آن متر مربع بر ثانیه است، اما اغلب از سانتی‌استوکس (cSt) استفاده می‌شود. مثلاً روغن موتور ۱۰W-۴۰ در دمای اتاق حدود ۱۰۰ cSt دارد.

علاوه بر این، ویسکوزیته بالک در سیالات تراکم‌پذیر مانند گازها در جریان‌های صوتی ظاهر می‌شود، اما کمتر رایج است. ویسکوزیته یا گرانروی چیست بدون شناخت این انواع؟ هر کدام کاربرد خاص خود را دارند.

مقالات مرتبط: نحوه انتخاب بهترین پمپ آتش نشانی

واحدهای اندازه‌گیری ویسکوزیته یا گرانروی

برای محاسبه ویسکوزیته یا گرانروی چیست، واحدهای استاندارد ضروری است. در سیستم SI، ویسکوزیته دینامیکی پاسکال‌ثانیه (Pa.s) است، معادل نیوتن‌ثانیه بر متر مربع. واحد قدیمی‌تر پوآز (P) است، که ۰.۱ Pa.s برابر آن است، و سانتی‌پوآز (cP) برای مقادیر کوچک (۱ cP = ۰.۰۰۱ Pa.s).

برای سینماتیکی، متر مربع بر ثانیه (m²/s) استاندارد است، اما استوکس (St = ۱ cm²/s) رایج‌تر است. مثلاً ویسکوزیته سینماتیکی هوا حدود ۱۵ × ۱۰^{-۶} m²/s است.

این واحدها را همیشه با دما گزارش کنید، زیرا ویسکوزیته بسیار به آن حساس است. جدول زیر مثال‌هایی از مقادیر رایج را نشان می‌دهد:

این جدول به درک عددی ویسکوزیته یا گرانروی چیست کمک می‌کند.

عوامل مؤثر بر ویسکوزیته یا گرانروی

ویسکوزیته یا گرانروی چیست و چه عواملی آن را تغییر می‌دهند؟ عوامل متعددی وجود دارد:

تأثیر دما

در مایعات، با افزایش دما، ویسکوزیته کاهش می‌یابد. دلیل: مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند و نیروهای چسبندگی ضعیف‌تر می‌شود. مثلاً ویسکوزیته آب از ۱ mPa.s در ۲۰°C به ۰.۲۸ mPa.s در ۱۰۰°C می‌رسد. در گازها، برعکس، ویسکوزیته افزایش می‌یابد زیرا برخوردها بیشتر می‌شود. فرمول تقریبی برای گازها: μ ∝ √T، که T دما مطلق است.

فشار

در مایعات، فشار تأثیر کمی دارد زیرا تراکم‌ناپذیرند. اما در فشارهای بالا (مانند عمق اقیانوس)، ویسکوزیته کمی افزایش می‌یابد. در گازها، با فشار، چگالی بالا می‌رود و ویسکوزیته بیشتر می‌شود.

سایر عوامل

• ذرات معلق: مانند در رنگ یا خون، ویسکوزیته را افزایش می‌دهد.
• شرایط جریان: در جریان آرام، ویسکوزیته ثابت است؛ در متلاطم، مؤثرتر عمل می‌کند.
• ترکیب شیمیایی: هیدروکربن‌های بلندزنجیر ویسکوزیته بالاتری دارند.

این عوامل ویسکوزیته یا گرانروی چیست را به یک متغیر پویا تبدیل می‌کنند.

چگونه ویسکوزیته یا گرانروی محاسبه می‌شود؟

حالا به بخش اصلی: ویسکوزیته یا گرانروی چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟ محاسبه معمولاً تجربی است، اما فرمول‌های نظری پایه آن هستند.

فرمول پایه: معادله نیوتن

برای ویسکوزیته دینامیکی: μ = τ / (du/dy) مثال: اگر تنش برشی ۱۰ Pa و گرادیان سرعت ۱۰۰ s⁻¹ باشد، μ = ۰.۱ Pa.s.

روش قانون استوکس (گوی سقوطی)

گوی کروی با شعاع a و چگالی ρ_s در سیال با چگالی ρ_l رها می‌شود. سرعت نهایی v: μ = [2 g a² (ρ_s – ρ_l)] / (۹ v) مثال عملی: گوی فولادی (ρ_s = ۷۸۰۰ kg/m³، a = ۱ mm) در آب (ρ_l = ۱۰۰۰ kg/m³) با v = ۰.۱ m/s. جایگذاری: μ ≈ ۰.۰۰۱ Pa.s (نزدیک به آب واقعی). مراحل: ۱) چگالی‌ها را اندازه بگیرید. ۲) زمان سقوط بین دو نقطه را ثبت کنید (حداقل ۳ بار). ۳) سرعت را محاسبه کنید. ۴) فرمول را اعمال کنید.

ویسکومتر لوله مویرگی

زمان t برای عبور حجم V از لوله با طول L و شعاع r: ν = (π r⁴ ρ g t) / (۸ V L η) – نه، دقیق‌تر: برای سینماتیکی، ν ∝ t. با دانستن چگالی، μ = ν ρ. مثال: روغن در ویسکومتر U، t = ۳۰ ثانیه برای ۱۰ ml، ν ≈ ۳۰ cSt.

رئومتر چرخشی

گشتاور T برای چرخش با سرعت ω: μ ∝ T / ω. این روش برای سیالات غیرنیوتنی ایده‌آل است، زیرا منحنی تنش-نرخ را ترسیم می‌کند.

ابزارهای مدرن

رئومترهای ارتعاشی با اندازه‌گیری میرایی، یا میکروفلوئیدی برای نمونه‌های کوچک. نرم‌افزارها مانند MATLAB می‌توانند داده‌ها را تحلیل کنند.

با این روش‌ها، ویسکوزیته یا گرانروی چیست به عددی قابل اعتماد تبدیل می‌شود. همیشه خطاها را (مانند دمای ناپایدار) در نظر بگیرید.

مقالات مرتبط: بررسی جامع پمپ اسکرو

کاربردهای ویسکوزیته یا گرانروی در صنایع

ویسکوزیته یا گرانروی چیست بدون کاربردهای عملی؟ در صنعت خودرو، انتخاب روغن بر اساس SAE است: ۵W-۳۰ برای سرما (ویسکوزیته کم در شروع) و بار بالا. در نفت، ویسکوزیته گل حفاری را کنترل می‌کند تا از فروپاشی چاه جلوگیری شود.
در داروسازی، ویسکوزیته شربت‌ها جریان را تنظیم می‌کند. در غذا، گرانروی سس‌ها بافت را تعیین می‌کند.در مهندسی، عدد رینولدز (Re = ρ v D / μ) جریان آرام یا متلاطم را پیش‌بینی می‌کند – Re < ۲۰۰۰ آرام، وابسته به ویسکوزیته.
این کاربردها نشان می‌دهند که درک ویسکوزیته یا گرانروی چیست، کلید بهینه‌سازی فرآیندها است.

نتیجه‌گیری

در پایان، ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟ مقاومتی پنهان که جهان سیالات را شکل می‌دهد. از تعریف ساده تا محاسبات پیچیده، این مفهوم ابزاری قدرتمند برای مهندسان و دانشمندان است. با تکرار این سؤال – ویسکوزیته یا گرانروی چیست – امیدواریم درک شما عمیق‌تر شده باشد. همیشه به دما و شرایط توجه کنید، و از ابزارهای دقیق استفاده نمایید.