Ποια είναι η διαφορά μεταξύ δυναμικού και κινηματικού ιξώδους;

Το ιξώδες είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα υλικού κατά τη μελέτη της ροής ρευστού σε οποιαδήποτε εφαρμογή. Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι ιξώδους είναι το δυναμικό και το κινηματικό. Η σχέση μεταξύ αυτών των δύο ιδιοτήτων είναι πολύ απλή.

Το δυναμικό ιξώδες (ονομάζεται επίσης απόλυτο ιξώδες) είναι μια μέτρηση της εσωτερικής αντίστασης ενός ρευστού στη ροή, ενώ το κινηματικό ιξώδες είναι ο λόγος του δυναμικού ιξώδους προς την πυκνότητα. Με βάση την παραπάνω έκφραση, δύο ρευστά με το ίδιο δυναμικό ιξώδες μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικό κινηματικό ιξώδες ανάλογα με την πυκνότητα και αντίστροφα. Επομένως, δεν είναι πάντα εύκολο να κατανοήσουμε τη φυσική σημασία των ιδιοτήτων αυτών των δύο υλικών.

Με απλά λόγια, το δυναμικό ιξώδες σάς δίνει πληροφορίες σχετικά με τη δύναμη που απαιτείται για τη ροή ενός ρευστού με συγκεκριμένο ρυθμό, ενώ το κινηματικό ιξώδες υποδεικνύει πόσο γρήγορα ρέει ένα ρευστό όταν εφαρμόζεται μια συγκεκριμένη δύναμη.

Η εσωτερική αντίσταση στη ροή του ρευστού (δυναμικό ιξώδες) σημαίνει ότι υπάρχουν δυνάμεις που εμπλέκονται στη μετατόπιση του ρευστού. Αυτή η δύναμη (F) είναι ανάλογη με:

1) Ρυθμός διάτμησης (SR)

2) Επιφάνεια (Α)

3) Δυναμικό ιξώδες (η)

F=ηA ×SR

Στην παραπάνω έκφραση (νόμος του ιξώδους του Νεύτωνα), το δυναμικό ιξώδες χρησιμοποιείται ως σταθερά αναλογικότητας μεταξύ της τάσης F/A και του ρυθμού παραμόρφωσης ή του ρυθμού διάτμησης. Ένας άλλος τρόπος να σκεφτούμε το κινηματικό ιξώδες είναι να συνειδητοποιήσουμε ότι έχει συντελεστή διάχυσης [cm 2 / s]. Για το λόγο αυτό, το κινηματικό ιξώδες ονομάζεται μερικές φορές διαχυτικότητα ορμής, ανάλογο με τη διάχυση θερμότητας και μάζας. Με αυτή την έννοια, το δυναμικό ιξώδες είναι μια πιο θεμελιώδης ιδιότητα, ενώ το κινηματικό ιξώδες είναι μια παράγωγη ιδιότητα.

Ιστορικά, η επιλεγμένη μέθοδος μέτρησης του ιξώδους ήταν το κινηματικό ιξώδες επειδή δεν περιλαμβάνει δύναμη μέτρησης. Στα περισσότερα «κινηματικά» ιξωδόμετρα, η ροή του ρευστού οδηγείται από τη βαρύτητα (g). Αυτές οι μέθοδοι (τριχοειδές, χωνί...) απλώς μετρούν το χρόνο που χρειάζεται για να ρέει ένα ρευστό μέσα από μια δεδομένη γεωμετρία. Τα πιο ακριβή ιξωδόμετρα βασίζονται στη μέτρηση της διατμητικής τάσης με δεδομένο ρυθμό διάτμησης. Αυτό επιτρέπει έναν πληρέστερο χαρακτηρισμό του δακτυλικού αποτυπώματος ιξώδους (δηλ. ιξώδους έναντι ταχύτητας διάτμησης) πολύπλοκων μη Νευτώνειων ρευστών.

Μια άλλη διαφορά μεταξύ αυτών των δύο ιδιοτήτων είναι η μοναδικότητα των μονάδων τους. Οι μονάδες δυναμικού ιξώδους είναι καλά MPa-s σε μονάδες SI και ισοδύναμα CP (εκατοστά) σε CGS. Από την άλλη πλευρά, οι πιο κοινές μονάδες κινηματικού ιξώδους είναι μονάδες SI σε εκατοστά ανά δευτερόλεπτο και CGS σε centistokes (σωλήνας εκατοστών), αλλά εξαρτάται επίσης από τον κλάδο ή την εφαρμογή εάν μετράται σε περισσότερες από μία αυθαίρετες μονάδες. Αυτό συμβαίνει με το Saybolt Universal Seconds (SUS) στη βιομηχανία πετρελαίου, όπου ο χρόνος που απαιτείται για τη ροή 60 cm3 υγρού μέσω ενός σωλήνα βαθμονόμησης στις 38 μοίρες χρησιμοποιείται ως μέτρο ιξώδους. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η χρήση ενός "κύπελλου" για τη μέτρηση του χρόνου που χρειάζεται για ένα δεδομένο δείγμα να ρέει μέσα από μια χοάνη δεδομένης γεωμετρίας. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται συχνά ως μετρητές δείκτη ιξώδους επειδή δεν αποδίδουν σταθερά αποτελέσματα που μπορούν να μοιραστούν μεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων.

Ποιο λοιπόν πρέπει να χρησιμοποιήσετε; Εάν ενδιαφέρεστε για αλληλεπιδράσεις μεταξύ μορίων που μπορούν να εξηγηθούν με όρους μηχανικής καταπόνησης, τότε το δυναμικό ιξώδες είναι πιο κατάλληλο. Για παράδειγμα, το δυναμικό ιξώδες μπορεί να καθορίσει την επίδραση των αλλαγών της σύνθεσης στις μοριακές αλληλεπιδράσεις και το ιξώδες. Αντίθετα, το κινηματικό ιξώδες έχει γίνει το πρότυπο στη βιομηχανία πετρελαίου λόγω της απλότητας του κινηματικού ιξωδόμετρου. Για το λόγο αυτό, το κινηματικό ιξώδες είναι πιο βολικό όταν το ενδιαφέρον είναι σε πεδία κίνησης και ταχύτητας ρευστού, καθώς μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με τη διάδοση της κίνησης που προκαλείται από την τριβή.