ما هو الفيسكوميتر في الفيزياء؟
الفيسكوميتر (Viscometer) هي عبارة عن أجهزةٍ مختصّةٍ بقياس لزوجة (Viscosity) مادّةٍ ما. ولتعريف اللّزوجة يمكن القول إنها ما يُعاكس السيولة أي هي مقاومة السائل أو الغاز للتدفّق والجريان وهو ما يؤثر على عمليّات البخ وملء أو حشو الفراغات. أما فيزيائيًّا فيمكن الحصول على قيمة اللّزوجة بتقسيم ضغط القص أو التشويه على معدّل التشوّه أو التغيير الحاصل، ويبقى هذا الناتج ثابتًا للسائل عند درجة حرارة معيّنة.
أمّا عن أجهزة القياس فهي عديدة ولكن لفهم آلية عملها علينا أولًا التفريق بين:
- اللزوجة الميكانيكيّة: هي المقاومة التي تبديها المادّة (سائلًا كانت أم غازًا) عند تعرّضها لقوى خارجيّة. تُساعد هذه اللزوجة في معرفة خواصّ المادّة وتغيّرها نتيجة للقوى. أحد الأجهزة المستخدمة في قياس اللزوجة الميكانيكيّة جهاز Brookfield وأكثر ما يُستخدم مع المواد عالية اللزوجة.
- اللزوجة الحركيّة: تدرس لزوجة المادّة بمعزل عن تطبيق أيّ قوّة خارجية وذلك تحت تأثير الجاذبيّة الأرضيّة فقط. الجدير بالذكر أنه يمكن لمادتين أن تختلفا في اللزوجة الحركية وتتساويا في اللزوجة الميكانيكيّة.
وعليه لقياس لزوجة المادّة نذكر الأجهزة التالية:
- أنبوب U (U-Tube Viscometers): يقيس اللزوجة الميكانيكيّة بالاعتماد على الزمن الذي تستغرقه المادّة لتنتقل من نقطةٍ في انبوبٍ رفيعٍ إلى أخرى، كما يجب معرفة كثافة السائل لتطبيق القانون الخاص بهذه الطريقة.
- قياس هبوط جسم كروي (Falling Sphere Viscometers): يشبه الجهاز السابق حيث يتم قياس اللزوجة حسب المدّة التي تستغرقها كرة معروفة الكثافة ونصف القطر أثناء سقوطها. هذه الآلية مشتقّة من قانون ستوكس (Stocks).
- قياس هبوط المكبس (Falling Piston Viscometers): تمامًا مثل مبدأ ما سبَق ولكن بدلًا من الكرة يحوي الجهاز مكبس، كما أنه من الأجهزة الشائعة لسهولة استخدامه وقلّة أعطاله.
- مقياس اللزوجة الدوراني (Rotational Viscometers): يندرج تحت هذه الخانة أجهزةٌ عديدةٌ وجميعها ذات المبدأ نفسه وهو قياس اللزوجة أثناء الحركة الدورانيّة، بطريقةٍ أخرى قياس مقاومة السائل للعزم.
- مقياس اللزوجة الفقاعيّة (Bubble Viscometers): من الطرق سريعة النتيجة والفعاليّة خاصّةً مع القوام الصمغي. تُقاس اللزوجة بهذه الطريقة بالاعتماد على سرعة وبالتالي الزمن المطلوب للفقاعات لترتفع وتصل لسطح السائل.
- المقياس الغلفاني (Rheometers): متعدّد الأنواع، أكثر ما يُستعمل مع السوائل غير النيوتونيّة (non-newtonian) وهي السوائل التي لا يمكننا التعبير عن لزوجتها باستخدام قيمةٍ ومقدارٍ واحدٍ.
بحيث تتصرّف هذه السوائل بطريقةٍ أكثر تعقيدًا وذلك لدخول بعض الزوائد فيها كالفقاعات أو القطرات أو الجزيئات أو حتى البوليمرات. من الأسماء الأخرى لهذه السوائل هي السوائل المنظمة أو السوائل المعقدة، وأفضل طريقة لقياس لزوجتها هي باستخدام المقياس الغلفاني.
منتجات ذات الطبيعة غير النيوتونيّة
من المنتجات ذات الطبيعة غير النيوتونيّة معاجين الأسنان، والميونيز، ومستحضرات التجميل والإسمنتيّات. من الوارد أيضًا أن تُبدي هذه السوائل ظواهر أخرى مثل إجهاد الخضوع، والتقلُّب السُّلْكِي والمرونة اللزجة التي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على سلوك المادّة وأدائها المطلوب.
جميع هذه الأجهزة شائعة الاستخدام وذلك لضرورة معرفة لزوجة المادّة في كثيرٍ من الحالات، فمثلًا تدخل أهمية اللّزوجة عالم الصناعات بجميع أشكالها الغذائية، والشخصيّة، والدوائيّة وذلك فيما يخصّ المعالجة والاستخدام والفعاليّة. كما تُعتبر عاملًا مهمًّا فيما يتعلق بديمومة وكثافة الملوّنات والدهانات.
أنواعٍ جهاز الفيسكوميتر
يتألف الفيسكوميتر من أنبوب زجاجي ينتهي بماصة جلدية، يستطيع عن طريق هذه الماصة قياس لزوجة المادة، من خلال معرفة كثافتها والزمن الذي تستغرقه لانسيابها بين نقطتين على جهاز الفيسكوميتر.
ويوجد عدة أنواعٍ لجهاز الفيسكوميتر وأهمها:
- الفيسكوميتر ذو الشكل U: والذي يعتمد على الزمن الذي تستغرقه المادة للانتقال بين نقطتين على الجهاز.
- المقياس الغلفاني: ويتسخدم في السوائل التي يصعب التعبير عن لزوجتها باستخدام مقدارٍ واحدٍ.
- المقياس الدوراني: وهو يقيس اللزوجة أثناء الحركة الدورانية.
- حهاز قياس الهبوط الكروي: ويعتمد في قياس اللزوجة على المدة التي تستغرقها كرة ذات كثافةٍ معروفةٍ ونصف قطر معروف للسقوط.
- جهاز قياس المكبس: وهو يشبه الجهاز السابق ولكن بدلاً من الكرة يحتوي الجهاز على مكبس.
ويقال أن السائل الذي يتمتع بلزوجةٍ منخفضةٍ هو سائلٌ رقيقٌ، بينما السائل الذي يتمتع بلزوجةٍ عاليةٍ هو سائلٌ سميكٌ، وبالتالي فإن سماكة السائل تدل على مقاومته للحركة، ويعبر عن اللزوجة في الفيزياء من خلال قانون نيوتن، والذي يعبر عنه باستخدام الصيغة التالية: F/A= n(du/dr) حيث:
يشير F إلى القوة المطلقة.
ويشير A إلى المساحة.
وn هي وحدة ذات قيمةٍ ثابتةٍ وتساوي 0.00089 باسكال (وهي الوحدة المستخدمة لقياس اللزوجة الديناميكية).
وتمثل (du/dr) المعدل المطلق، أو سرعة تحرك السائل.
وأهم التطبيقات التي يستخدم بها قانون نيوتن هي: تركيبات البروتين، وتصنيع المواد الغذائية، والمشروبات وغيرها.
وتقاس اللزوجة بواحدة SI والتي تمثل المتر المربع في الثانية الواحدة [m2/s] وهي واحدةٌ كبيرةٌ جداً لذلك نادراً ما تستخدم، ويستخدم عوضاً عنها السنتيمتر المربع في الثانية الواحدة [cm2/s]، والتي وضعها العالم الفيزيائي الإيرلندي جورج ستوكس، ولذلك تسمى هذه الواحدة باسمه (ستوكس)، علماً أن واحد متر مربع في الثانية يعادل عشرة آلاف ستوكس كما يلي:
1cm2/s =1st
1m2/s =10000cm2/s
1m2/s =10000st
وأهم العوامل المؤثرة على لزوجة مادةٍ ما هي:
- الوزن الجزيئي: حيث تزداد اللزوجة بازدياد الوزن الجزيئي أي (حجم الجزيئ) وذلك في المركبات المتجانسة.
- قوى التجاذب: والتي تعتبر مقياساً مبدئياً للزوجة سائلٍ ما، فبزيادة التجاذب بين الجزيئات تزداد صعوبة حركتها وبالتالي تزداد اللزوجة.
- الضغط.
- في السائل: تزداد اللزوجة بازدياد الضغط على السائل، بسبب زيادة التجاذب بين جزيئات السائل.
- في الغاز: لا تتعلق اللزوجة بالضغط في الغاز، بل بالطول البعدي ببجزيئات في الغاز.
- درجة الحرارة: وهناك تناسبٌ عكسيٌّ بين اللزوجة ودرجة الحرارة، فبازدياد درجة الحرارة تقل اللزوجة، وذلك لأن الحرارة تزيد من حركة الجزيئات وبالتالي تقل قوى التجاذب بينها، فتقل اللزوجة.