Вискозиметрия, раздел физики, посвященный изучению методов измерения вязкости. Существующее разнообразие методов и конструкций приборов для измерения вязкости — вискозиметров — обусловлено как широким диапазоном значений вязкости, так и необходимостью измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений (например, сжиженных газов, расплавленных металлов, водяного пара при высоких давлениях и т.д.).
Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.
1. Капилярный метод опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.
| Рисунок 3. Схема капиллярного вискозиметра |
В капиллярном вискозиметре (рис. 3) жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости. Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся частей.
Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.
|
|
2. 
Метод падающего шарика или метод Стокса (основан на законе Стокса) – этот метод определения вязкости основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы.
На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз, действуют три силы: сила тяжести (Fт), сила Архимеда (FА) и сила сопротивления (F).
(1)
| Рисунок 4.. Схема метода Стокса |
, 
, а 
– это эмпирически установлено Джоржем Стоксом. Где m – масса, 
– ускорение свободного падения, 
– плотность жидкости, V т – объем тела (шарика).
Зная, что объем шарика можно расписать как 
, где r – радиус шарика. А массу шарика 
, где 
– плотность шарика, получим
(2)
Выразим из уравнения (2) коэффициент вязкости η:
(3)
Таким образом, измерив, скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жидкости.
На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей. Определить же вязкость неньютоновских жидкостей, в частности вязкость крови, нельзя из-за зависимости от градиента скорости, однако с помощью данного метода нередко измеряют вязкость плазмы крови по скорости оседания в ней эритроцитов.
3. Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора вискозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом, рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.
|
|
С помощью ротационных вискозиметров определяют вязкость смазочных масел, расплавленных силикатов и металлов, высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т. п.
4. Клинический способ определения вязкости крови – метод капиллярных трубок применяется для определения η невязких жидкостей. Метод основан на формуле Пуазейля. Капиллярный вискозиметр состоит из градуированной бюретки и присоединенного к ней вертикально расположенного стеклянного капилляра. Бюретку наполняют исследуемой жидкостью, которая под действием силы тяжести медленно вытекает из нижнего конца капилляра. Однако, с понижением уровня жидкости в бюретке и, соответственно с уменьшением разности давлений на концах капилляра, скорость истечения жидкости постепенно уменьшается. Поэтому непосредственное использование формулы Пуазейля для определения вязкости жидкости не представляется возможным: необходим учет изменения разности давлений на концах капилляра в процессе понижения уровня жидкости в бюретке. Для того чтобы исключить градиент давления используют метод сравнения, то есть сравнивают коэффициент вязкости исследуемой жидкости с коэффициентом вязкости эталонной (например, дистиллированной воды). Для этого через капилляр пропускают одинаковые объемы исследуемой и эталонной жидкостей.
|
|
| Рисунок 5. Схема капиллярного вискозиметра для определения вязкости крови |
Рассмотрим схему прибора (рис. 5):
1. Градуированная бюретка
2. Капилляр
3. Воронка
4. Сосуд для вытекающей жидкости