Hur hittas vätskors viskositet?

I många vetenskapliga och industriella situationer är det nödvändigt att känna till vätskors viskositet. Viskositet är måttet på vätskans motstånd mot flöde. Vätskor med hög viskositet har större motstånd mot flöde och deformeras inte lätt av fysisk stress, medan vätskor med låg viskositet är ”tunna” och flyter lätt. Viskositeten hos vätskor kan hittas genom att använda ett instrument som kallas viskosimeter, som det finns många olika typer av. I fall där mindre exakta mätningar är acceptabla kan viskositeten också mätas med enkla gravitationsbaserade anordningar.

En av de vanligaste typerna av viskosimeter är viskosimetern med fallande sfär. Denna inställning mäter vätskors viskositet genom att tajma hur lång tid det tar för en liten sfär med känd densitet och storlek att falla ett visst avstånd genom en vätska. Sfären placeras i ett vertikalt rör fyllt med vätskan och tillåts nå sin sluthastighet när den faller. Vid sluthastighet är dragkraften som drar sfären uppåt lika med tyngdkraften som drar den nedåt, och sfären upphör att accelerera och bibehåller en konstant hastighet när den sjunker. När sluthastigheten, densiteten för vätskan och sfären och storleken på sfären är kända, kan en formel, Stokes lag, användas för att beräkna vätskans viskositet.

En annan ganska enkel viskosimeter som används i laboratoriemiljöer är Ostwald-viskosimetern, även känd som glaskapillärviskosimetern eller U-rörsviskosimetern. Denna U-formade glasrörsanordning består av två glödlampor, en på den nedre delen av U:s vänstra arm och den andra på den höga delen av den högra. Den hålls vertikalt när vätskan dras upp i den övre glödlampan och får sedan rinna tillbaka ner till den nedre glödlampan, förbi två märken på röret. Viskositeten hos vätskor kan härledas genom att ta hänsyn till glasrörets diameter, hur lång tid det tar för en vätska att rinna förbi de två märkena och densiteten hos den vätskan.

Laboratorier som kräver precisionsmätningar kan använda mer komplicerade viskosimeter som innehåller elektronik och mäter viskositet med en oscillerande kolv eller vibrerande resonator nedsänkt i vätskan. I andra miljöer, såsom färgindustrin, kan enklare fysikaliska principer användas för att härleda vätskors ungefärliga viskositet. Dessa mätningar förlitar sig ofta på ett mått som kallas kinematisk viskositet – motståndet hos en vätska att flöda i närvaro av gravitation.

Zahn-koppen och Fords viskositetskopp är exempel på gravitationsbaserade enheter som används för att mäta kinematisk viskositet. I dessa enheter rinner vätskan – färg, i fallet med Zahn-koppen, eller motorolja för Ford-koppen – genom ett litet hål i botten av en kopp när den hålls uppe. Vätskan rinner ut i en jämn ström till en viss punkt där den bryts upp i droppar. Beroende på vätskans viskositet kommer brott att ske vid olika tidpunkter. Ett mått på kinematisk viskositet kan hittas genom att multiplicera denna tid i sekunder med koppens specifikationsnummer, som är kalibrerat för lämplig vätska.