Πώς βρέθηκε το ιξώδες των υγρών;

Σε πολλές επιστημονικές και βιομηχανικές καταστάσεις είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε το ιξώδες των υγρών. Το ιξώδες είναι το μέτρο της αντίστασης του υγρού στη ροή. Τα υγρά με υψηλό ιξώδες έχουν μεγαλύτερη αντίσταση στη ροή και δεν παραμορφώνονται εύκολα από φυσική καταπόνηση, ενώ τα υγρά με χαμηλό ιξώδες είναι «λεπτά» και ρέουν εύκολα. Το ιξώδες των υγρών μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας ένα όργανο γνωστό ως ιξωδόμετρο, του οποίου υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι. Σε περιπτώσεις όπου είναι αποδεκτές λιγότερο ακριβείς μετρήσεις, το ιξώδες μπορεί επίσης να μετρηθεί χρησιμοποιώντας απλές συσκευές που βασίζονται στη βαρύτητα.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους ιξωδόμετρων είναι το ιξωδόμετρο πτώσης σφαίρας. Αυτή η ρύθμιση μετρά το ιξώδες των υγρών προσδιορίζοντας πόσο χρόνο χρειάζεται μια μικρή σφαίρα γνωστής πυκνότητας και μεγέθους για να πέσει σε μια ορισμένη απόσταση μέσα από ένα υγρό. Η σφαίρα τοποθετείται σε έναν κατακόρυφο σωλήνα γεμάτο με το υγρό και αφήνεται να φτάσει στην τελική της ταχύτητα καθώς πέφτει. Στην τελική ταχύτητα, η δύναμη της έλξης που έλκει τη σφαίρα προς τα πάνω είναι ίση με τη δύναμη της βαρύτητας που την τραβάει προς τα κάτω και η σφαίρα παύει να επιταχύνει, διατηρώντας σταθερή ταχύτητα καθώς πέφτει. Μόλις γίνει γνωστή η τελική ταχύτητα, η πυκνότητα του υγρού και της σφαίρας και το μέγεθος της σφαίρας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας τύπος, ο νόμος του Stokes, για τον υπολογισμό του ιξώδους του υγρού.

Ένα άλλο αρκετά απλό ιξωδόμετρο που χρησιμοποιείται σε εργαστηριακές ρυθμίσεις είναι το ιξωδόμετρο Ostwald, γνωστό και ως ιξωδόμετρο γυαλιού τριχοειδούς ή ιξωδόμετρο σωλήνα U. Αυτή η συσκευή γυάλινου σωλήνα σε σχήμα U αποτελείται από δύο λαμπτήρες, ο ένας στο κάτω μέρος του αριστερού βραχίονα του U και ο άλλος στο ψηλό μέρος του δεξιού. Συγκρατείται κατακόρυφα καθώς το υγρό αναρροφάται στον επάνω βολβό και στη συνέχεια αφήνεται να ρέει πίσω στον κάτω βολβό, περνώντας από δύο σημάδια στο σωλήνα. Το ιξώδες των υγρών μπορεί να συναχθεί λαμβάνοντας υπόψη τη διάμετρο του γυάλινου σωλήνα, το χρόνο που χρειάζεται για να ρέει ένα υγρό πέρα ​​από τα δύο σημάδια και την πυκνότητα αυτού του υγρού.

Τα εργαστήρια που απαιτούν μετρήσεις ακριβείας μπορούν να χρησιμοποιούν πιο περίτεχνα ιξωδόμετρα που ενσωματώνουν ηλεκτρονικά και μετρούν το ιξώδες χρησιμοποιώντας ένα ταλαντευόμενο έμβολο ή δονούμενο συντονιστή βυθισμένο στο υγρό. Σε άλλες ρυθμίσεις, όπως η βιομηχανία χρωμάτων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλούστερες φυσικές αρχές για να συναχθεί το κατά προσέγγιση ιξώδες των υγρών. Αυτές οι μετρήσεις βασίζονται συχνά σε ένα μέτρο που είναι γνωστό ως κινηματικό ιξώδες – η αντίσταση ενός υγρού στη ροή παρουσία της βαρύτητας.

Το κύπελλο Zahn και το κύπελλο ιξώδους Ford είναι παραδείγματα συσκευών που βασίζονται στη βαρύτητα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του κινηματικού ιξώδους. Σε αυτές τις συσκευές, το υγρό – χρώμα, στην περίπτωση του κυπέλλου Zahn, ή λάδι κινητήρα για το κύπελλο Ford – αποστραγγίζεται από μια μικρή τρύπα στο κάτω μέρος ενός κυπέλλου καθώς κρατιέται ψηλά. Το υγρό ρέει έξω με ομαλή ροή μέχρι ένα ορισμένο σημείο όπου διασπάται σε σταγόνες. Ανάλογα με το ιξώδες του υγρού, η θραύση θα συμβεί σε διαφορετικούς χρόνους. Ένα μέτρο κινηματικού ιξώδους μπορεί να βρεθεί πολλαπλασιάζοντας αυτόν τον χρόνο σε δευτερόλεπτα με τον αριθμό προδιαγραφής του κυπέλλου, ο οποίος είναι βαθμονομημένος για το κατάλληλο υγρό.