گرانروی: راز جریان سیالات
گرانروی چیست؟
فرض کنید می‌خواهید یک قاشق را داخل یک ظرف عسل فرو ببرید و سپس همان کار را با یک ظرف آب انجام دهید. قطعاً حرکت قاشق در عسل سخت‌تر است. این تفاوت، دقیقاً همان مفهوم گرانروی است. در واقع، گرانروی میزان «غلت‌خوری» یا اصطکاک داخلی بین لایه‌های یک سیال است. هرچه این اصطکاک بیشتر باشد، سیال سنگین‌تر و کندتر جریان می‌یابد.
سیالات از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که روی هم می‌لغزند. وقتی سیالی جریان می‌یابد، لایه‌های مختلف آن با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند. گرانروی، نیروی مقاومتی است که این لایه‌ها بر اثر این لغزش به یکدیگر وارد می‌کنند. به زبان ساده، سیال با گرانروی بالا (مانند عسل) «چسبنده‌تر» به نظر میرسد.
انواع سیالات از نظر گرانروی
همه‌ی سیالات مانند هم رفتار نمی‌کنند. برخی ساده و برخی پیچیده هستند.
| نوع سیال | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| سیال نیوتنی | گرانروی این سیالات ثابت است و با تغییر سرعت، تغییر نمی‌کند. این ساده‌ترین نوع است. | آب، روغن موتور، هوا |
| سیال غیرنیوتنی | گرانروی این سیالات با تغییر سرعت یا نیروی اعمالی تغییر می‌کند. برخی در اثر نیرو رقیق و برخی غلیظ می‌شوند. | خمیر دندان، سس کچاپ، مخلوط آب و نشاسته |
یک آزمایش ساده: یک مخلوط غلیظ از آب و نشاسته ذرت درست کنید. اگر آرام انگشت خود را در آن فرو کنید، مانند یک مایع رفتار می‌کند. اما اگر محکم به آن مشت بزنید، مانند یک جامد سفت می‌شود! این یک سیال غیرنیوتنی است.
عوامل مؤثر بر گرانروی
گرانروی یک عدد ثابت نیست و تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد. دو عامل اصلی عبارت‌اند از:
دما: برای مایعات، افزایش دما معمولاً باعث کاهش گرانروی می‌شود. چرا؟ زیرا مولکول‌ها انرژی بیشتری به دست می‌آورند و می‌توانند راحت‌تر از کنار هم بلغزند. به همین دلیل است که عسل گرم راحت‌تر از عسل سرد از ظرف خارج می‌شود. برعکس، برای گازها، افزایش دما معمولاً گرانروی را افزایش می‌دهد زیرا برخورد بین مولکول‌های گاز شدیدتر می‌شود.
فشار: تاثیر فشار بر مایعات و گازها متفاوت است. افزایش فشار بر روی بیشتر مایعات، گرانروی آنها را به میزان کمی افزایش می‌دهد. اما در مورد گازها، افزایش فشار باعث افزایش چگالی و در نتیجه افزایش گرانروی می‌شود.
اندازه‌گیری گرانروی: قانون استوکس
چگونه می‌توان گرانروی یک مایع را اندازه گرفت؟ یک روش کلاسیک استفاده از قانون استوکس۲ است. این قانون سرعت سقوط یک کره‌ی کوچک درون یک سیال را توصیف می‌کند.
برای درک این قانون، یک آزمایش فکری انجام دهید: یک تیله‌ی فولادی را درون یک لوله‌ی بلند پر از روغن رها کنید. تیله ابتدا شتاب می‌گیرد، اما به زودی به یک سرعت ثابت (سرعت حد۶) میرسد. در این نقطه، نیروی گرانش رو به پایین با مجموع نیروی شناوری رو به بالا و نیروی کشش گران‌رویی رو به بالا برابر می‌شود. با اندازه‌گیری این سرعت ثابت و دانستن چگالی تیله و روغن، می‌توان گرانروی روغن را محاسبه کرد. دستگاهی که این کار را انجام می‌دهد ویسکومتر۴ نام دارد.
گرانروی در جهان اطراف ما
گرانروی فقط یک مفهوم علمی انتزاعی نیست؛ کاربردهای فراوانی در زندگی روزمره و صنعت دارد:
موتور خودرو: انتخاب روغن موتور مناسب کاملاً به گرانروی آن بستگی دارد. روغن باید به اندازه‌ی کافی غلیظ باشد تا در دمای بالا یک لایه‌ی محافظ بین قطعات متحرک ایجاد کند، اما نه آنقدر غلیظ که در هوای سند استارت زدن خودرو را مشکل کند. به همین دلیل است که از روغن با درجه‌ی گرانروی متفاوت برای فصل‌های مختلف استفاده می‌شود (5W-30).
صنایع غذایی: بافت سس‌ها، ماست و بستنی مستقیماً به گرانروی کنترل‌شده‌ی آنها بستگی دارد. یک سس سالاد باید به اندازه‌ی کافی روان باشد تا روی سبزیجات بریزد، اما آنقدر هم روان نباشد که فوراً ته ظرف جمع شود.
علم پزشکی: گرانروی خون یک پارامتر مهم سلامتی است. خون بیش از حد غلیظ (گرانروی بالا) می‌تواند فشار بیشتری به قلب وارد کند و خطر لخته شدن خون را افزایش دهد.
طراحی هواپیما: مهندسان هوانوردی باید گرانروی هوا را به دقت در نظر بگیرند تا بتوانند نیروی کشش وارد بر بدنه‌ی هواپیما را محاسبه و بال‌ها را برای ایجاد حداکثر نیروی برآر۷ بهینه‌سازی کنند.
سوالات متداول درباره گرانروی
عسل بدون شک گرانروی بسیار بیشتری از آب دارد. دلیل اصلی، ساختار مولکولی و پیوندهای شیمیایی قوی‌تر بین مولکول‌های عسل است. مولکول‌های قند بزرگ‌تر و پیچیده‌تر در عسل، در مقایسه با مولکول‌های کوچک و ساده‌ی آب، ایجاد اصطکاک داخلی بسیار بیشتری می‌کنند و در نتیجه حرکت آنها بر روی یکدیگر به سختی انجام می‌شود.
با افزایش دما، گرانروی روغن کاهش می‌یابد. مولکول‌های روغن انرژی بیشتری کسب می‌کنند و فاصله‌ی بین آنها کمی افزایش می‌یابد. این امر باعث می‌شود که آنها راحت‌تر بر روی هم بلغزند و در نتیجه روغن «رقیق‌تر» و روان‌تر به نظر برسد و به راحتی در سطح تابه جریان یابد.
بله، اگرچه گرانروی گازها بسیار کمتر از مایعات است. اگر دست خود را از پنجره‌ی یک خودروی در حال حرکت با سرعت بالا بیرون بگیرید، نیروی مقاومتی که احساس می‌کنید ناشی از گرانروی هوا است. این نیرو همان نیروی کشش است که با سرعت شما افزایش می‌یابد.
گرانروی یک ویژگی بنیادی در سیالات است که مقاومت آنها در برابر جریان را تعیین می‌کند. این مفهوم از نوشیدن یک شربت غلیظ تا پرواز یک هواپیما در آسمان، حضور دارد. ما یاد گرفتیم که گرانروی به دما و فشار بستگی دارد، با قانون استوکس قابل اندازه‌گیری است و سیالات به دو دسته‌ی نیوتنی و غیرنیوتنی تقسیم می‌شوند. درک این مفهوم ساده اما قدرتمند، پنجره‌ای به سوی درک بهتر جهان فیزیکی اطراف ما می‌گشاید.
پاورقی
۱ گرانروی (Viscosity)
۲ قانون استوکس (Stokes' Law)
۳ سیال نیوتنی (Newtonian Fluid)
۴ ویسکومتر (Viscometer)
۵ نیروی کشش (Drag Force)
۶ سرعت حد (Terminal Velocity)
۷ نیروی برآر (Lift Force)