فيزياء 3 - Viscosity

## الفيزياء (1) لطلاب الفرق الإعدادية من كليات الهندسة ### Viscosity اللزوجه من السھل أن نفرق بالبداهة بين المادة الصلبة، والمادة المائعة. ونستطيع أن نقول أن المادة الصلبة يمكنها أن تحتفظ بكيانها وشكلها بنفسها دون أي سند خارجي. أما المائع فلا يستطيع أن يحافظ على كيانه أو شكله من تلقاء نفسه، بل لا...

## الفيزياء (1) لطلاب الفرق الإعدادية من كليات الهندسة ### Viscosity اللزوجه من السھل أن نفرق بالبداهة بين المادة الصلبة، والمادة المائعة. ونستطيع أن نقول أن المادة الصلبة يمكنها أن تحتفظ بكيانها وشكلها بنفسها دون أي سند خارجي. أما المائع فلا يستطيع أن يحافظ على كيانه أو شكله من تلقاء نفسه، بل لابد من إناء يحتويه ليمنعه من أن يفيض. أى لا بد من سند عرضى يحفظ كيانها. وخاصية السائل التي تقاوم ميله للفيضان تسمى "لزوجة السائل" وتستطيع أن نقول بوجه عام، أن المانع الذي لا يستطيع أن يفيض بسرعة يكون لزجا. غير أننا نستطيع أن نعتبر المواد المائعة على نوعين: - **النوع الأول، مواد مائعة ذات لزوجة صغيره، مثل الغازات والأثير والماء والزئبق. ومعامل اللزوجة فيها يختلف باختلاف المادة نفسها.** - **و النوع الثاني، مواد ذات لزوجة كبيرة، كزيت الخروع والقار والعسل.** ### المعنى الفيزيائي لخاصية اللزوجة في السوائل لكي نقرب إلى الأذهان المعنى الفيزيائي لخاصية اللزوجة في السوائل، نفرض أن سائلا يفيض ببطء "بدون اضطراب"، في أنبوبة ضيقة منتظمة المقطع ثم نتصور أنه مكون من "قشور إسطوانية" منتظمة السمك، وذات محور مشترك، هو المحور الأصلي للأنبوبة الضيقة. ولو أخذنا في الاعتبار السرعة التي تتحرك بها هذه الطبقات في فيضانها لوجدنا أن سرعة الطبقة عند محور الأنبوبه تكون أقصى ما يمكن ، بينما تكاد تكون سرعة الطبقات الملامسة لجدران الأنبوبة تساوى صفرا. وهكذا تتغير سرعة هذه الطبقات على الترتيب، من أقصى سرعة عند محور الأنبوبة، إلى أن تنعدم تماما عند سطح جدران الأنبوبة. ومعنى ذلك أن طبقات السائل المتحرك سوف يكون بينها "سرعة نسبية"، بشرط أن يكون فيضان السائل "بطيئا" وبدون أن يحدث له "اضطراب" كما هو موضح بشكل (۱۰). ### شكل (۱۰) إنسياب سائل لزج داخل إنبونبه من السهل أن نرى أنه لابد من أن تكون هناك قوة معاوقة أو مقاومة معينة، تعمل على إيجاد فرق بين سرعة الطبقات المختلفه، وذلك لكي تكون هناك "سرعة نسبية" ثابتة بين هاتين الطبقتين. وبهذا يمكن القول بأن اللزوجة هي الخاصية التي تتسبب في إيجاد مقاومة بين طبقات السائل، بحيث ينتج عنها "سرعة نسبية" بين تلك الطبقات. و الزوجة السائل أشبه بقوة "احتكاك" بين طبقاته المختلفة، تؤثر في اتجاه يضاد حركة السائل، وتعمل على إيجاد سرعة نسبية بين طبقاته المتحركة. هذا هو المعنى الفيزيائي لخاصية اللزوجة في السائل في أبسط تصوير له. نفرض أن سائلا يتحرك على مستوى أفقى ونفرض أن السائل يتكون من طبقات بعضها فوق بعض تتحرك بسرعات مختلفه تحت تأثير قوة مماسيه تعمل على تحريك السائل (شكل ۱۱). نفرض أن المكعب ABCD هو مكعب داخل السائل قبل البدء في الحركه وأن شكله قد تغير إلى الوضع 'A'B'C'D أثناء حركة السائل. من البديهي أن يتوقف مقدار إنبعاج شكل المكعب على قوة الإحتكاك F بين طبقات السائل المختلفه. ومن البديهي أيضا أن تتناسب هذه القوة مع مساحة سطح الطبقات التي تتواجد بينها قوة الاحتكاك. ومن السهل أن نثبت أن قوة الإحتكاك F التي ينشأ عنها خاصية اللزوجة في السوائل، بين طبقتين معينتين، تتوقف على العاملين الآتيين 1. **المساحة المشتركة A بين سطحى الطبقتين المتجاورتين، اللتين تنشا بينهما هذه المقاومة.** 2. **مدرج السرعة 4v/4y بين هاتين الطبقتين، أى معدل تغير السرعة بالنسبة للمسافة الرأسية بين الطبقتين،** ويمكن التعبير عن علاقة هذين العاملين بهذه القوة التي تعمل على إيجاد سرعة نسبية بين الطبقتين من السائل بالصورة الرياضية التالية: $F \propto A \frac{d\upsilon}{dy}$ أو $F = \eta A\frac{d \upsilon}{dy}$ حيث ( n ) ثابت يتوقف على طبيعة السائل اللزج ويسمى معامل اللزوجه للسائل، ويقاس معامل. اللزوجة بقوة الإحتكاك بين طبقتين من طبقات السائل، مساحة كل منها المشتركة تساوى الوحدة وفرق السرعة بينهما تساوى الوحدة، والمسافة بينهم الوحدة. ### شكل (۱۱) تمثيل حركة السائل كطبقات تنزلق فوق بعضها. ### أبعاد معامل اللزوجة من العلاقة السابقة لمعامل اللزوجة يمكن أن نستنتج ابعاد معامل اللزوجه كالآتي:- $\eta = \frac{F \Delta y}{A \Delta \upsilon}$ $[\eta] = \frac{[F] [\Delta y]}{[A] [\Delta \upsilon]} = \frac{MLT^{-2} L}{L^2 LT^{-1}} = ML^{-1}T^{-1}$ وإذا عوضنا عن الكتلة بالجرام، والطول باسم، والزمن بالثانية فستكون وحدة معامل اللزوجة تساوي g.cm.s، وهذه الوحدة يطلق عليها بواز تخليدا للعالم والطبي الفرنسي جان لويس ماري بُوَازُوي والذي عمل على تدفق السوائل (الدم) خلال شرايين القلب في ١٨٢٨. والبواز يكافئ $1 \text{ poise} = \text{dyne.s/cm²} = 0.1 \text{ N.s/m²}$ حيث وحدة معامل اللزوجة بالنظام الدولي هي N.s/m2 ، الجدول التالي يعطي معامل اللزوجه لبعض السوائل. | Fluid | η (N-s/m²) | |---|---| | Glycerine (20°C) | 1.5 | | Motor oil (0°C) | 0.11 | | Motor oil (20°C) | 0.03 | | Blood (37°C) | 4.0 × 10-3 | | Water (20°C) | 1.0×10-3 | | Water (90°C) | 0.32 × 10-3 | | Gasoline (20°C) | 2.9 × 10-4 | | Air (20°C) | 1.8 × 10-5 | | CO₂ (20°C) | 1.5×10-5 |