گران‌روی۱: مقاومت سیال در برابر جاری شدن
گران‌روی چیست؟
تصور کنید می‌خواهید یک قاشق را داخل یک کاسه عسل و سپس داخل یک کاسه آب حرکت دهید. حرکت قاشق در عسل بسیار سخت‌تر از حرکت آن در آب است. این تفاوت، دقیقاً مفهوم گران‌روی را نشان می‌دهد. گران‌روی، که گاهی به آن «غلظت» نیز گفته می‌شود، در واقع معیاری برای اصطکاک داخلی یک مایع یا گاز است. این اصطکاک بین لایه‌های مجاور سیال به وجود می‌آید و در برابر حرکت نسبی این لایه‌ها مقاومت می‌کند. هرچه گران‌روی یک سیال بیشتر باشد، جاری شدن آن کندتر و سخت‌تر است.
انواع گران‌روی و نحوه اندازه‌گیری
گران‌روی به دو شکل اصلی تعریف می‌شود:
۱. گران‌روی پویا (دینامیک): این نوع، همان مقاومت ذاتی سیال در برابر برش یا جریان است. وقتی سیالی بین دو صفحه تخت موازی قرار گیرد و یکی از صفحات حرکت کند، برای حفظ این حرکت نیاز به اعمال نیرویی است که بر گران‌روی پویا غلبه کند.
۲. گران‌روی جنبشی: این کمیت، نسبت گران‌روی پویا به چگالی سیال است. این نوع گران‌روی در مسائل مربوط به حرکت سیال که نیروهای اینرسی مهم هستند، مانند محاسبه عدد رینولدز، کاربرد دارد. رابطه آن به صورت زیر است:
که در آن:
$ \nu $ = گران‌روی جنبشی
$ \mu $ = گران‌روی پویا
$ \rho $ = چگالی سیال
| نام سیال | دما (°C) | گران‌روی پویا (Pa·s) | توضیح |
|---|---|---|---|
| آب | 20 | 0.001 | سیال با گران‌روی بسیار پایین |
| روغن موتور (SAE 30) | 20 | 0.3 | گران‌روی متوسط |
| عسل | 20 | 10 | گران‌روی بالا |
چه عواملی بر گران‌روی تأثیر می‌گذارند؟
گران‌روی یک سیال ثابت نیست و تحت تأثیر چند عامل مهم تغییر می‌کند:
دما: اثر دما بر گران‌روی مایعات و گازها کاملاً متفاوت است. با افزایش دما، گران‌روی مایعات کاهش می‌یابد زیرا انرژی جنبشی مولکول‌ها افزایش یافته و پیوندهای بین مولکولی ضعیف‌تر می‌شوند (مثلاً عسل گرم راحت‌تر از عسل سرد می‌ریزد). در مقابل، با افزایش دما، گران‌روی گازها اندکی افزایش می‌یابد چون برخوردهای بین مولکولی بیشتر و سریع‌تر می‌شود.
فشار: برای مایعات، افزایش فشار معمولاً باعث افزایش جزئی در گران‌روی می‌شود. برای گازها، در دماهای پایین، افزایش فشار می‌تواند گران‌روی را افزایش دهد، اما در دماهای بالا ممکن است اثر معکوس داشته باشد.
ساختار مولکولی: مولکول‌های دراز و زنجیره‌ای (مانند پلیمرها در روغن) نسبت به مولکول‌های کروی کوچک (مانند آب)، گران‌روی بسیار بالاتری دارند زیرا در هم تنیده شده و حرکت برشی را دشوار می‌کنند.
گران‌روی در عمل: از آشپزخانه تا صنعت
مفهوم گران‌روی فقط یک موضوع تئوری نیست؛ کاربردهای فراوانی در زندگی روزمره و فناوری دارد:
طراحی روغن‌های موتور: روغن موتور باید گران‌روی مناسبی داشته باشد. در هوای سرد، روغن نباید خیلی غلیظ شود تا موتور به راحتی روشن شود (گران‌روی پایین). در عین حال، در دمای کاری بالا نیز باید به اندازه کافی غلیظ بماند تا یک لایه محافظ بین قطعات متحرک ایجاد کند (گران‌روی بالا). به همین دلیل از روغن‌های چند درجه‌ای (مانند 5W-30) استفاده می‌شود.
صنایع غذایی: بافت سس مایونز، بستنی و شکلات به طور مستقیم به گران‌روی آنها بستگی دارد. کنترل دقیق گران‌روی، کیفیت نهایی محصول را تعیین می‌کند.
سیستم‌های هیدرولیک: در این سیستم‌ها از روغن برای انتقال نیرو استفاده می‌شود. انتخاب روغن با گران‌روی صحیح برای کارایی و عمر طولانی سیستم ضروری است. اگر گران‌روی خیلی کم باشد، نشت رخ می‌دهد و اگر خیلی زیاد باشد، مصرف انرژی افزایش می‌یابد.
جریان خون: خون یک سیال غیرنیوتنی است، اما گران‌روی آن اهمیت بالایی دارد. افزایش غیرعادی گران‌روی خون (مثلاً به دلیل کم‌آبی یا برخی بیماری‌ها) می‌تواند قلب را تحت فشار قرار داده و خطر لخته شدن خون را افزایش دهد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. این یک اشتباه رایج است. چگالی جرم یک ماده در واحد حجم است ($ \rho = \frac{m}{V} $)، در حالی که گران‌روی معیاری برای مقاومت آن ماده در برابر جاری شدن است. به عنوان مثال، جیوه چگالی بسیار بالایی دارد اما گران‌روی آن تنها کمی بیشتر از آب است. عسل گران‌روی بالایی دارد اما چگالی آن تنها حدود ۱.۴ برابر آب است.
خیر. سیالاتی مانند آب، روغن‌های ساده و گازها سیالات نیوتنی نامیده می‌شوند زیرا گران‌روی آنها تحت تأثیر نیروی برشی وارد شده تغییر نمی‌کند. اما سیالاتی مانند کچاپ، خمیر دندان، رنگ و مخلوط آب و نشاسته ذرت (Oobleck) سیالات غیرنیوتنی هستند. گران‌روی این سیالات بسته به میزان تنش برشی می‌تواند افزایش یا کاهش یابد (مثلاً کچاپ با تکان دادن راحت‌تر بیرون می‌آید).
$ Re = \frac{\rho v L}{\mu} $ این عدد بدون بعد، نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای چسبناک (گران‌روی) در یک جریان سیال را نشان می‌دهد. وقتی عدد رینولدز کم است (نیروهای چسبناک غالبند)، جریان به صورت آرام یا لایه‌ای است. وقتی عدد رینولدز بالا است (نیروهای اینرسی غالبند)، جریان به صورت آشوبناک درمی‌آید. بنابراین، گران‌روی ($ \mu $) یک عامل کلیدی در تعیین الگوی جریان است.
پاورقی
۱گران‌روی (Viscosity): معیاری برای اندازه‌گیری مقاومت داخلی یک سیال در برابر جریان یافتن.
۲گران‌روی پویا (Dynamic Viscosity): ($ \mu $) که با نام گران‌روی مطلق نیز شناخته می‌شود و بیانگر نسبت تنش برشی به نرخ کرنش برشی است.
۳گران‌روی جنبشی (Kinematic Viscosity): ($ \nu $) نسبت گران‌روی پویا به چگالی سیال.
۴سیال نیوتنی (Newtonian Fluid): سیالی که در آن تنش برشی مستقیماً با نرخ کرنش برشی متناسب است و گران‌روی آن ثابت است.
۵عدد رینولدز (Reynolds Number): ($ Re $) یک عدد بدون بعد که برای پیش‌بینی الگوی جریان (آرام یا آشوبناک) استفاده می‌شود.
