كيفية حساب اللزوجة

تنزيل المقال

تنزيل المقال

يمكن تعريف اللزوجة بأنّها مقياس مقاومة السائل للتدفّق، يشار إليها أيضًا بأنّها الاحتكاك الداخلي للسائل. فلنضع باعتبارنا الماء ومحلول مركز من السكر، يتدفّق الماء بسهولة نسبيّا بينما يعد المحلول السكري أقل سلاسة. لذا يقال أنّ لزوجة المحلول السكري أكبر من الماء لأنه أكثر مقاومة للتدفّق. يوجد عددًا من الطرق التي يمكن من خلالها اختيار كيفية قياس اللزوجة، ربما يكون أقلها تعقيدًا هو إسقاط الكرة في إناء نقي من السائل الذي تحاول قياس لزوجته.

الخطوات

جزء 1

جزء 1 من 2:

فهم اللزوجة

تنزيل المقال

1. 
   1
   عرّف اللزوجة. تقيس اللزوجة مقاومة السائل للتدفّق. يتدفق السائل ذو اللزوجة العالية مثل العسل ببطء شديد. بينما بالنسبة لسائل ذو لزوجة منخفضة مثل الماء تجده يتدفّق بسرعة. وحدة اللزوجة هي باسكال ثانية (Pa s).
2. 
   2
   اعرف معادلة اللزوجة. ستأخذ هذه التجربة قياسات كرة ومسارها خلال السائل لحساب اللزوجة. قانون حساب اللزوجة هو [2(p_s-p_l)ga²]/9v حيث تشير p_s لكثافة الكرة وتشير p_l لكثافة السائل وg ترمز لعجلة الجاذبية وa نصف قطر الكرة وv سرعة الكرة.
3. 
   3
   افهم المتغيّرات في قانون اللزوجة. تعرف الكثافة بأنّها كتلة وحدة الحجوم لجسمٍ ما ورمزها p. في القانون السابق، ستحتاج أن تحسب كثافة كلًا من الكرة p_s والسائل p_l الذي تمر من خلاله. يمكنك حساب نصف قطر الكرة عبر إيجاد محيط تلك الكرة وقسمته على 2π (π هي الثابت "ط" بالعربية). بينما تعد عجلة الجاذبية g قيمة ثابتة تعتمد على الغلاف الجوّي للكوكب، في هذه الحالة أنت على كوكب الأرض لذا تبلغ قيمة g نحو 9.8m/s² يتم حساب سرعة الكرة v أثناء التجربة عبر تعيين الوقت الذي يستغرفه الجسم ليعبر مسافة محدّدة من السائل بوحدة متر لكل ثانية (m/s).

جزء 2

جزء 2 من 2:

حساب اللزوجة

تنزيل المقال

1. 
   1
   اجمع المواد اللاّزمة للتجربة. ستحتاج إلى جسم كروي وأسطوانة مدرّجة ومسطرة وساعة توقيف والسائل المطلوب حساب لزوجته وورقة مقياس بياني وآلة حاسبة لتحسب لزوجة السائل. تتكوّن هذه التجربة من عدة خطوات، وعند اتباعها بشكل صحيح تمكنك من حساب لزوجة أي سائل.

   • قد تكون الكرة الصغيرة من الرخام أو الحديد. تأكّد ألّا يكون قطر الكرة أكبر من نصف قطر الأسطوانة المدرّجة حتّى يسمح لها ذلك أن تسقط بسهولة إلى داخل الأسطوانة.
   • الأسطوانة المدرّجة عبارة عن إناء بلاستيكي يحتوي على علامات مدرّجة على الجانب تسمح لك بقياس الحجم.
   • يمكنك استخدام ساعة يد بدلاً من ساعة توقيف، ولكن ستكون قياساتك أكثر دقة باستخدام ساعة التوقيف.
   • يجب أن يكون السائل نقي بدرجة كافية لترى سقوط الكرة خلال السائل. جرّب استخدام عدّة سوائل لها معدلات تدفق مختلفة لترى مدى اختلاف لزوجاتهم. تشمل قائمة السوائل الشائعة التي يمكن تجربتها الماء والعسل وشراب الذرة وزيت الطعام واللبن.
2. 
   2
   احسب كثافة كرة التجربة التي اخترتها. تحتاج لمعرفة كثافة كل من الكرة والسائل لتؤدّي حسابات اللزوجة. ينص قانون الكثافة على التالي $d=m/v$، حيث ترمز d للكثافة و ترمز m لكتلة الجسم وv لحجم الجسم.

   • عيّن الكتلة بوضع الكرة على ميزان. اكتب الكتلة بوحدة الجرام (جم).
   • احسب حجم كرة باستخدام القانون التالي: V= (4/3) x π x r³، حيث ترمز V للحجم و π (ط) تعبر عن ثابت قيمته 3.14 وr نصف قطر الكرة. يمكنك حساب نصف القطر عن طريق حساب المحيط المركزي للكرة ثمّ قسمة هذا المحيط على 2π.
   • يمكنك أيضًا حساب الحجم عن طريق قياس حجم الماء المزاح في الأسطوانة المدرّجة. اكتب منسوب الماء الابتدائي ثم ضع الكرة في الماء ثم عيّن منسوب الماء الجديد. اطرح المنسوب الابتدائي من الجديد. يساوي هذا الرقم حجم الكرة بالملليلتر (ml).
   • احسب الكثافة باستخدام القانون $d=m/v$. تقاس الكثافة بوحدة g/mL.
3. 
   3
   احسب كثافة السائل الذي تقيس لزوجته. ستستخدم نفس القانون السابق لحساب كثافة السائل المطلوب تعيين لزوجته.

   • عيّن كتلة السائل عبر وزن الأسطوانة فارغة أوّلًا. صب السائل في الأسطوانة المدرّجة ثمّ اوزنها مرةً أخرى. اطرح كتلة الأسطوانة الفارغة من كتلة الأسطوانة وبها السائل لتحصل على كتلة السائل بالجرام (جم).
   • لتحسب حجم السائل، عيّن ببساطة كمية السائل التي قمت بصبّها في الأسطوانة المدرّجة باستخدام التدريج الظاهر على جانب الأسطوانة. اكتب حجم السائل بالملليلتر (mL).
   • استخدم القانون التالي: $d=m/v$ مع حساباتك السابقة لتحسب كثافة السائل بوحدة جم/مل g/mL))
4. 
   4
   املأ الأسطوانة المدرّجة وقم بتعليمها. املأ اسطوانتك المدرّجة أوّلًا بالسائل الذي ترغب بحساب لزوجته، ثمّ قم بتعليم الأسطوانة من أعلى ومن الأسفل. صب سائل التجربة ببطء إلى داخل الأسطوانة المدرّجة بحيث يملأ نصف الأسطوانة أو تلاتة أرباعها.

   • ارسم علامة في قمة الأسطوانة بحيث يكون موقعها 2.5 سم أسفل سطح السائل.
   • ارسم علامة ثانية بالأسفل بحيث يكون موقعها 2.5 سم من قاع الأسطوانة المدرّجة.
   • قس المسافة بين العلامتين. ضع أسفل المسطرة عند العلامة السفلية وقس المسافة نحو العلامة المرسومة في القمة.
5. 
   5
   اكتب الوقت الذي تأخذه الكرة لتسقط بين العلامتين. أسقط الكرة في السائل وابدأ ساعة التوقيف عندما يصل أسفل الكرة للعلامة الموجودة بقمة الأسطوانة. عندما تصل الكرة لموضع العلامة التي رسمتها أسفل الأسطوانة، أوقف الساعة.

   • ستكون السوائل منخفضة اللزوجة أصعب في القياس بهذه الطريقة لأنه سيكون من الصعب عليك بدء ووقف ساعة التوقيف بشكل دقيق.
   • كرّر هذه الخطوة ثلاث مرات على الأقل (كلّما كرّرت العملية عدد أكبر من المرّات، كلّما كانت قياساتك أكثر دقّة) واحسب متوسّط الثلاث مرات معًا. لتحسب المتوسّط، اجمع الوقت المستغرق لكل مرّة واقسم الناتج على عدد مرّات التكرار التي قمت بها.
   • تعمل هذه الطريقة بشكل أفضل إذا كانت الكرة صغيرة بما يكفي بحيث يكون التدفق حول الكرة لزجًا حقًا وغير مضطرب. كما يجب أن تكون الكرة أصغر بكثير من الإناء بحيث يمكن إسقاط الكرة بشكل سلس مع وجود مسافة تبلغ نحو 10 مرّات نصف قطر الكرة بين الكرة الجدران الجانبية لتلاشي أي احتكاك بينهما.
6. 
   6
   احسب سرعة الكرة. تقاس السرعة باستخدام المسافة المقطوعة والزمن اللّازم لقطع هذه المسافة. قانون حساب السرعة كالتالي: $v=d/t$ حيث تشير v للسرعة وd للمسافة المقطوعة وt تعبّر عن الزمن.

   • باستخدام قياساتك، عوّض عنهم في المعادلة $v=d/t$ لتحسب سرعة الكرة.
7. 
   7
   احسب لزوجة السائل. عوّض بالمعلومات التي حصلت عليها في قانون اللّزوجة: اللزوجة = [2(p_s-p_l)ga²]/9v حيث تشير p_s لكثافة الكرة وترمز p_l لكثافة السائل وترمز g لعجلة الجاذبيّة وa نصف قطر الكرة وv سرعة الكرة

   • على سبيل المثال: لنقل أنّ كثافة السائل تبلغ 1.4 g/mL وكثافة الكرة تساوي 5 g/mL ونصف قطر الكرة يساوي 0.002 m وسرعة الكرة نحو 0.05 m/s.
   • بوضع تلك القيم في معادلة حساب اللّزوجة: اللّزوجة = [2(5 – 1.4)(9.8)(0.002)^2]/(9 x 0.05) = 0.00062784 Pa s

أفكار مفيدة

• قد يساعدك الاحتفاظ بجدول بيانات على تتبع قياساتك وإلّا فقد تصبح قياساتك وحساباتك غير منظّمة.
• يجب أن تكون كل القياسات بوحدات النظام المتري.
• لا تنس إضافة الوحدات في نهاية حسابك.

تحذيرات

• عندما تملأ الأسطوانة المدرّجة بالسائل، تأكد ألّا بقترب سطح السائل كثيرًا من قمة الأسطوانة. إذا لم تترك مساحة كافية غير مشغولة بالسائل، ستنتج إزاحة السائل الناتجة عن سقوط الكرة لخروج جزء من السائل، مما قد يؤدي إلى إفساد حساباتك.
• يجب أن تكون كثافة الكرة أعلى من كثافة السائل لتتمكّن من القيام بهذه التّجربة.
• قم بتنظيف الكرة من السائل وتجفيفها جيدًل بين مرّات إعادة التجربة قبل أن تعيد إسقاطها في الأسطوانة المدرّجة.
• تأكد من عدم وجود أية مياه أو أي سائل آخر في الأسطوانة المدرجة قبل البدء. قد يجعل وجود أي سائل آخر قياساتك غير دقيقة.

الأشياء ستحتاج إليها

• كرة صلبة صغيرة أو جسم كروي لا يطفو على السائل الذي تستخدمه.
• السائل المراد تعيين لزوجته.
• أسطوانة مدرّجة ذات قطر أكبر من الكرة المستخدمة.
• آلة حاسبة
• ساعة توقيف
• عصا مترية أو مسطرة أخرى بقياسات مترية
• قلم رصاص شحمي
• ميزان أو مقياس.