Пусть пять разных моторных масел (0w-30, 5w-30, 10w-30, 10w-40, 15w-40) охлаждённых до -10℃ вытекают из наклонённых ёмкостей 20 минут:
При одинаковых начальных условиях результаты истечения масел разные: масло 0w-30 вылилось в наибольшем количестве, а масло 15w-40 даже не достигло мерной ёмкости.
В чём причина данного явления? Почему по-разному вытекают, казалось-бы одинаковые моторные масла?
Из механики твёрдых тел известно явление трения, которое характеризует силы, возникающие при взаимном движении твёрдых тел. Трение бывает трёх видов: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Все виды трения возникают только на внешней стороне взаимодействующих тел, что объясняется молекулярной структурой твёрдого тела: жесткая решетка и малые межатомные расстояния.
Молекулярная структура жидкости иная: молекулы свободно движутся внутри объёма, отсутствует кристаллическая решётка и гораздо большие атомные расстояния. Эта структура позволяет жидкости изменять форму, заполнять объёмы, течь. Очевидно, что при растекании жидкости между молекулами будут возникать притягивающиеся электромагнитные силы, которые затруднят процесс переноса (течения), однако из-за отсутствия решётки жидкость продолжит растекаться, только гораздо медленнее. Возникающие при этом силы принято называть силами вязкости или вязкостью или внутренним трением.
Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Именно из-за разной вязкости моторные масла за одинаковое время вытекли по-разному.
Как измеряется вязкость?
Исторически первой единицей измерения вязкости были единицы времени - секунда: жидкости поочерёдно помещались в одинаковом объёме в сосуд и определялось время истечения. Чем больше было время истечения, тем выше была вязкость жидкости. Примером такого визкозиметра является воронка Марша, применяемая нефтяниками для измерения вязкости буровых растворов и нефтепродуктов.
Из-за большого количества использующихся в различных отраслях промышленности визкозиметров потребовалась унификация единиц измерения и от секунд перешли к эталону вязкости, выбранному по воде - стоксу. Вязкость воды определялась как 1 сСт (сантистокс) = 0,01 Ст.
Вязкости наиболее часто встречающихся жидкостей приведены в таблице:
Наиболее вязкой жидкостью является стекло (3...6 мил сСт), а самым длительным экспериментом по определению вязкости является опыт проведенный в Университете Квинсленда со смолой, медленно капающей через воронку с 1927 года, со скоростью одна капля примерно каждые десять лет.
Для определения сил вязкости принято использовать закон вязкого трения Ньютона (1687):
где: μ - динамическая вязкость (Па∙с) связанная с кинематической вязкостью соотношением:
где ρ - плотность жидкости.
Большинство существующих в природе жидкостей так или иначе подчиняются закону вязкого трения Ньютона, однако имеются жидкости отклоняющиеся от данного закона - неньютоновские: краска, кефир, раствор крахмала, пластики и т.д.
В неньютоновских жидкостях вязкость проявляется двояко: при медленном движении жидкость ведёт себя как ньютоновская, а при попытке резко переместиться - твердеет, что объясняется напряжениями покоя (аналогом трения покоя).
Благодаря вязкости работают лопастные гидромашины, летают самолёты, происходит конвекция и теплообмен, однако вязкость затрудняет движение жидкости в трубопроводах, снижает КПД гидромашин и является причиной гидравлических потерь и трения.
