Ma sát vs Độ nhớt
Ma sát và độ nhớt là hai tính chất của vật chất, có ý nghĩa sống còn trong việc tìm hiểu hành vi của vật chất. Cần phải hiểu rõ về độ nhớt và mật độ để mô tả hầu hết các sự kiện xảy ra trong động lực học chất lỏng, trạng thái chất lỏng, trạng thái rắn, động lực học rắn và hầu hết mọi ứng dụng kỹ thuật. Những hiện tượng này được nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày, và thực sự dễ hiểu, cho rằng, phương pháp đúng đắn được thực hiện. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về ma sát và độ nhớt là gì, định nghĩa, điểm tương đồng của chúng, nguyên nhân gây ra ma sát và độ nhớt, và cuối cùng là sự khác biệt của chúng.
Độ nhớt
Độ nhớt được định nghĩa là thước đo điện trở của chất lỏng, bị biến dạng bởi ứng suất cắt hoặc ứng suất kéo. Nói một cách phổ biến hơn, độ nhớt là ma sát bên trong của một chất lỏng. Nó cũng được gọi là độ dày của chất lỏng. Độ nhớt đơn giản là ma sát giữa hai lớp chất lỏng khi hai lớp chuyển động so với nhau. Ngài Isaac Newton là người tiên phong trong cơ học chất lỏng. Ông yêu cầu rằng, đối với chất lỏng Newton, ứng suất cắt giữa các lớp tỷ lệ thuận với độ dốc vận tốc theo hướng vuông góc với các lớp. Hằng số tỷ lệ (hệ số tỷ lệ) được sử dụng ở đây là độ nhớt của chất lỏng. Độ nhớt thường được ký hiệu là chữ Hy Lạp Độ nhớt của chất lỏng có thể được đo bằng Máy đo độ nhớt và Lưu lượng kế. Đơn vị của độ nhớt là Pascal-giây (hoặc Nm-2S). Hệ thống css sử dụng đơn vị ngay poiseise, được đặt theo tên của Jean Louis Marie Poiseuille, để đo độ nhớt. Độ nhớt của chất lỏng cũng có thể được đo bằng một vài thí nghiệm. Độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ. Độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng.
τ = μ (∂u / ∂y)
Các phương trình và mô hình độ nhớt rất phức tạp đối với chất lỏng phi Newton. Có thể thấy rõ rằng độ nhớt luôn hoạt động theo một hướng, để chống lại dòng chảy của chất lỏng. Các lực nhớt được phân phối trong toàn bộ thể tích của chất lỏng trong một điều kiện động nhất định.
ma sát
Ma sát có lẽ là lực cản phổ biến nhất mà chúng ta trải nghiệm hàng ngày. Ma sát được gây ra bởi sự tiếp xúc của hai bề mặt gồ ghề. Ma sát có năm chế độ; ma sát khô xảy ra giữa hai vật rắn, ma sát lỏng, còn được gọi là độ nhớt, ma sát bôi trơn, trong đó hai chất rắn được ngăn cách bởi một lớp chất lỏng, ma sát da, chống lại chất rắn chuyển động trong chất lỏng và ma sát bên trong gây ra các thành phần bên trong của một chất rắn để làm ma sát. Tuy nhiên, thuật ngữ Ma sát Ma-tô-xi-a được sử dụng phổ biến nhất thay cho ma sát khô. Điều này được gây ra bởi các lỗ hổng siêu nhỏ thô ráp trên mỗi bề mặt khớp với nhau và không chịu di chuyển. Ma sát khô giữa hai bề mặt phụ thuộc vào hệ số ma sát và lực phản kháng bình thường đối với mặt phẳng tác dụng lên vật. Ma sát tĩnh tối đa giữa hai bề mặt chỉ cao hơn một chút so với ma sát động.
Sự khác biệt giữa ma sát và độ nhớt là gì?
• Thực tế, độ nhớt là một loại phụ của ma sát, tuy nhiên, ma sát khô chỉ xảy ra giữa hai bề mặt rắn, trong khi độ nhớt xảy ra trong chất lỏng giữa hai lớp chất lỏng.
• Điều kiện động và tĩnh được xác định riêng cho ma sát khô. Đối với độ nhớt, không có điều kiện tĩnh vì các phân tử chất lỏng luôn di động.
PHỤ LỤC 6.3
Độ nhớt của chất lỏng là một đặc tính của chất lỏng liên quan chặt chẽ đến lực ma sát nội tại cản lại sự di động tương đối của các lớp phân tử trong lòng chất lòng đó. Độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối, ký hiệu là
η, là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích bề mặt, được biết như một ứng suất trượt τ (biểu thị bằng pascal), cần thiết để di chuyển một lớp chất lỏng 1 m2 song song với mặt phẳng trượt ở tốc độ (v) là 1 m/s so với lớp chất lỏng song song ở một khoảng cách (x) là 1 m.
Tỷ lệ dv/dx là gradient vận tốc cho tốc độ trượt D, biểu thị là nghịch đảo của giây (s -1) và η = τ/D.
Đơn vị của độ nhớt động lực là pascal giây (Pas) hoặc newton giây trên mét vuông
(N-s/m2) và ước số hay dùng là milipascal giây (mPa-s). Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị độ nhớt cơ bản là poise (P) và ước số hay dùng là centipoise (cP).
1 Pa -s = 1000 mPa-s = 1 N-s/m2
1 P = 0,1 Pa -s = 100 cP = 100 mPa-s
Độ nhớt động lực của nước cất ở 20 °C xấp xỉ bằng 1 centipoise.
Độ nhớt động học (v) là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng (p) của chất lỏng (biểu thị bằng kg/m3), cả hai đều được xác định ở cùng nhiệt độ t.
ν= η / ρ
Đơn vị độ nhớt động học là m2/s, ước số là mm2/s. Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị độ nhớt động học là stocker (St) và ước số hay dùng là centistocker (cSt).
1 St = 10-4 m2/s
1 cSt = 10-6m2/s =1 mm2/s
Độ nhớt động học của nước cất ở 20 °C xấp xỉ bằng 1 cSt. Khi tính độ nhớt động học của một chất lỏng theo stocker hay centistocker, đi từ độ nhớt động lực tính theo poise hay
centipoise thì khối lượng riêng của chất lỏng đó phải tính theo g/cm3
Độ nhớt thay đổi rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm và ngược lại. Vì vậy, phải xác định độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ ổn định, dao động không quá ± 0,1 °C.
Phương pháp I: Phương pháp đo thời gian chảy của chất lỏng qua ống mao quản
Nhiều nhớt kế mao quản với những kích thước khác nhau, thích hợp cho việc xác định độ nhớt của các chất lỏng khác nhau.
Mỗi loại có một hàng số dụng cụ (k) riêng. Trong số những nhớt kế mao quản, nhớt kế Ostwald thường hay được sử dụng nhất (Hình 6.3.1).
Cách xác đinh độ nhớt bằng nhớt kế Oswald: Dùng pipet dài để
chuyển qua miệng ống B chất lỏng cần xác định độ nhớt đã được ổn định nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C (trừ khi có chỉ dẫn khác) vào bầu chứa V, sao cho không dính hoặc chỉ dính rất ít chất lỏng đem thử vào thành ống B ở phía trên bầu V. Đặt nhớt kế thẳng đứng và chìm hết bầu V trong môi trường điều nhiệt ở nhiệt độ 20 °C ± 0,1 °C (trừ khi có chỉ dẫn khác) trong 30 min. Sau đó dùng quả bóp cao su (phụ kiện của dụng cụ đo độ nhớt) thổi từ miệng ống B để chất lỏng dâng lên quá ngấn chuẩn a thì ngừng bơm,
bỏ quả bóp cao su khỏi miệng ống B để chất lỏng đem thử chảy tự do về bầu V. Ghi thời gian cần thiết để vòng khum dưới của chất lỏng đem thử chuyển dịch từ ngấn a đến ngấn b. Làm như vậy 5 lần, lấy trung bình cộng của các kết quả đo được làm thời gian t cần xác định. Sai số các kết quả đo không vượt quá 0,5 %. Để đỡ mắc sai số lớn, cần chọn nhớt kế thích hợp sao cho thời gian t không được dưới 200 s.
Tính độ nhớt lực học η hoặc độ nhớt động học v lần lượt theo công thức sau:
Khi không có giá trị k, có thể tự xác định hằng số k bằng cách dùng một chất lỏng đã biết trước độ nhớt η hoặc v và tính k theo công thức (1) hoặc (2). Nhớt kế đã bị sửa chữa thì khi sử dụng lại, phải được chuẩn lại. Nếu dùng nhớt kế mao quản với máy đo tự động thì vận hành máy theo quy trình hướng dẫn của hãng sản xuất máy. Thời gian cần thiết để chất lỏng đem thử chuyển dịch từ ngấn a đến ngấn b sẽ được tự động ghi lại.
Phương pháp II: Phương pháp đo thời gian rơi của trái cầu
Phương pháp này thích hợp cho các chất lỏng trong suốt và có độ nhớt cao (từ 8 poise đến 1000 poise).
Dụng cụ: (Hình 6-3.2) Gồm 1 ống thử a, dài 30 cm, đường kính trong là 2 cm ± 0,05 cm. Trên thành ống có khắc 5 ngấn vòng quanh, mỗi ngấn cách nhau 5 cm. Ống thử a được đặt trong
bình điều nhiệt b có chứa nước, phía trên có nắp đậy. Trên nắp có các lỗ để đặt nhiệt kế chia độ đến 0,1 °C, que khuấy c và phễu g. Trái cầu là những viên bi bằng thép có đường kính 0,15 cm. Viên bi sẽ được thả vào ống thử a qua một ống nhỏ d có đường kính trong là 0,3 cm. Ống d có một lỗ ngang cao hơn mực chất thử trong ống a, đầu dưới của ống d ở ngang ngấn trên cùng của ống a và thấp hơn mặt chất thử 3 cm.
Khi không có dụng cụ như trên có thể dùng các nhớt kế khác có tính năng tương tự,
đảm bảo cung cấp giá trị độ nhớt với độ chính xác và độ đúng như những nhớt kế đã mô tả ở trên (ví dụ: Nhớt kế Hoppler).
Phương pháp đo: Đổ chất lỏng cần xác định độ nhớt vào ống thử a sao cho mực chất lỏng cao hơn đầu dưới của ống d 3 cm. Đặt các viên bi vào một ống thử nghiệm nhỏ lồng qua lỗ đặt phễu g. Giữ chất lỏng cần thử và các viên bi trong môi trường điều nhiệt có nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C trong 30 min (trừ khi có chỉ dẫn khác). Sau đó thả từng viên bi vào trong chất lỏng đem thử qua
ống d. Ghi thời gian rơi của 5 viên bi từ ngấn thứ hai đến ngấn thứ năm (15 cm). Lấy trung bình cộng của 5 lần đo này làm thời gian t cần xác định.
Tính độ nhớt động lực của chất lỏng đem thử theo công thức:
Phương pháp
III
Thiết bị thường dùng là loại nhớt kế quay, dựa trên việc đo lực trượt trong môi trường lỏng được đặt giữa hai ống hình trụ đồng trục, một ống được quay nhờ môtơ, còn ống kia quay được do sự quay của ống thứ nhất tác động vào. Dưới những điều kiện như vậy, độ nhớt (hay độ nhớt biểu kiến) trở thành phép đo (M) độ lệch của góc đối với ống hình trụ thứ 2, tương ứng với momen lực, biểu thị bằng N-in. Đối với lớp chất lỏng rất mỏng, độ nhớt động lực η, biểu thị bằng Pa-S được tính
theo công thức:
Hằng số k của máy được tính ở các tốc độ quay khác nhau bằng cách sử dụng các chất lỏng có độ nhớt chuẩn. Các máy luôn được cung cấp một bảng có các hằng số liên quan đến diện tích bề mặt của các ổng trụ được dùng và tốc độ quay của chúng. Độ nhớt được tính theo công thức:
η = k ( M/ω)
Cách đo: Đo độ nhớt theo sự chỉ dẫn cách vận hành nhớt kế quay. Nhiệt độ đo được chỉ dẫn trong chuyên luận. Nếu không thể đặt được tốc độ trượt chính xác như chỉ dẫn thì đặt tốc độ trượt cao hơn một chút và thấp hơn một chút sau đó dùng phương pháp nội suy để tính độ nhớt.