1. Внутрішнє тертя (в'язкість) рідини. Рівняння Ньютона.
2. Ньютонівські та неньютонівські рідини. Кров.
3. Ламінарна та турбулентна течії, число Рейнольдса.
4. Формула Пуазейля, гідравлічний опір.
5. Розподіл тиску при перебігу реальної рідини по трубах різного перерізу.
6. Методи визначення в'язкості рідин.
7. Вплив в'язкості деякі медичні процедури. Ламінарність та турбулентність газового потоку при наркозі. Введення рідин через крапельницю та шприц. Риноманометрія. Фотогемотерапія.
8. Основні поняття та формули.
9. Завдання.
Гідродинаміка- розділ фізики, в якому вивчають питання руху стисканих рідин та їх взаємодію з оточуючими тілами.
8.1. Внутрішнє тертя (в'язкість) рідини. Рівняння Ньютона
У реальній рідині внаслідок взаємного тяжіння та теплового руху молекул має місце внутрішнє тертя, або в'язкість. Розглянемо це явище наступного досвіді (рис. 8.1).
Рис. 8.1.Течія в'язкої рідини між пластинами
Помістимо шар рідини між двома паралельними твердими пластинами. "Нижня" пластина закріплена. Якщо рухати «верхню» пластину з постійною швидкістю v 1 , то з такою ж швидкістю рухатиметься «верхній» 1-й шар рідини, який вважаємо «прилиплим» до верхньої пластини. Цей шар впливає на 2-й шар, що лежить безпосередньо під ним, змушуючи його рухатися зі швидкістю v 2 , причому v 2< v 1 . Каждый слой (выделим nшарів) передає рух нижчому шару з меншою швидкістю. Шар, що безпосередньо «прилип» до «нижньої» пластини, залишається нерухомим.
Шари взаємодіють один з одним: n-й шар прискорює (п+1)-й шар, але уповільнює (п-1)-й шар. Таким чином, спостерігається зміна швидкості перебігу рідини в напрямку перпендикулярному поверхні шару (вісь х). Таку зміну характеризують похідною dv/dx,яку називають градієнтом швидкості.
Сили, що діють між шарами та спрямовані по дотичній до поверхні шарів, називаються силами внутрішнього тертяабо в'язкості.Ці сили пропорційні площі взаємодіючих шарів S та градієнту швидкості. Для багатьох рідин сили внутрішнього тертя підпорядковуються рівняння Ньютона:
Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом внутрішнього тертя або динамічною в'язкістю(Розмірність η в СІ: Пас).
8.2. Ньютонівські та неньютонівські рідини.
Кров
Ньютонівська рідина
Рідина, яка підпорядковується рівнянню Ньютона (8.1), називають ньютонівській.Коефіцієнт внутрішнього тертя ньютонівської рідини залежить від її будови, температури та тиску, але не залежить від градієнта швидкості.
Ньютонівська рідина – рідина, в'язкість якої не залежить від градієнта швидкості.
Властивості ньютонівської рідини мають більшість рідин (вода, розчини, низькомолекулярні органічні рідини) і всі гази.
В'язкість визначається за допомогою спеціальних приладів – віскозиметрів. Значення коефіцієнта в'язкості для деяких рідин представлені в таблиці.
Значення в'язкості крові, подане в таблиці, відноситься до здорової людини в спокійному стані. При тяжкій фізичній роботі в'язкість крові збільшується. На величину в'язкості крові впливають деякі захворювання. Так, при цукровому діабеті в'язкість крові збільшується до 2310 -3 Пас, а при туберкульозі зменшується до 1 * 10 -3 Пас. В'язкість позначається на такому клінічному параметрі, як швидкість осідання еритроцитів (ШОЕ).
Неньютонівська рідина
Неньютонівська рідина- Рідина, в'язкість якої залежить від градієнта швидкості.
Властивості неньютонівської рідини мають структуровані дисперсні системи (суспензії, емульсії), розчини і розплави деяких полімерів, багато органічних рідин та ін.
За інших рівних умов в'язкість таких рідин значно більша, ніж у ньютонівських рідин. Це пов'язано з тим, що завдяки зчепленню молекул або частинок неньютонівської рідини утворюються просторові структури, на руйнування яких витрачається додаткова енергія.
Кров
Цілісна кров (суспензія еритроцитів у білковому розчині - плазмі) є неньютонівською рідиною внаслідок агрегації еритроцитів.
Еритроцит у нормі має форму двояковогнутого диска діаметром близько 8 мкм. Він може суттєво змінювати свою форму, наприклад, при різній осмолярності середовища (рис. 8.2).
У нерухомій крові еритроцити агрегують, утворюючи звані «монетні стовпчики», що з 6-8 еритроцитів. Електронно-мікроскопічне дослідження найтонших зрізів монетних стовпчиків виявило паралельність поверхонь прилеглих еритроцитів та постійну міжеритроцитарну відстань при агрегації (рис. 8.3).
На малюнку 8.4 показана (замальовка) агрегація цільної крові у вологих мазках, яка є великими конгломератами, що складаються з багатьох монетних стовпчиків. При перемішуванні крові агрегати руйнуються, а після припинення перемішування знову відновлюються.
При протіканні крові по капілярах агрегати еритроцитів розпадаються і в'язкість падає.
Вживлення спеціальних прозорих вікон у шкірні складки дозволило сфотографувати перебіг крові в капілярах. На малюнку 8.5, виконаному за такою фотографією, чітко видно деформацію кров'яних клітин.
Рис. 8.2.Усереднений поперечний переріз еритроциту при різній осмолярності середовища
Рис. 8.3.Схема електроннограми агрегату із нормальних еритроцитів
Рис. 8.4.Агрегація цільної крові
Рис. 8.5.Деформація еритроцитів у капілярах
Деформуючись, еритроцити можуть просуватися один за одним у капілярах діаметром лише 3 мкм. Саме в таких тонких капілярних судинах і відбувається газообмін між кров'ю та тканинами.
Поблизу стінки капіляра утворюється дуже тонкий шар плазми, що грає роль мастила. Завдяки цьому опір руху еритроцитів зменшується.
8.3. Ламінарна та турбулентна течії, число Рейнольдса
У рідині перебіг може бути ламінарним або турбулентним. На малюнку 8.6 це показано для одного забарвленого струменя рідини, що тече в іншому.
У разі (а) струмінь забарвленої рідини зберігає постійну форму і не поєднується з іншою рідиною. У разі (б) пофарбований струмінь розривається випадковими завихреннями, картина яких змінюється з часом. До турбулентного течії поняття «трубка струму» не застосовується.
Рис. 8.6.Ламінарне (а) та турбулентне (б) течії струменя рідини
Ламінарна (шарувата) течія- така течія, при якій шари рідини течуть, не перемішуючись, ковзаючи один щодо одного. Ламінарна течія є стаціонарною - швидкість течії в кожній точці простору залишається постійною.
Розглянемо ламінарний перебіг ньютонівської рідини у трубі радіуса Rта довжини L, тиску на кінцях якої постійні (Р 1 і Р 2). Виділимо циліндричну трубку струму радіусу r (рис. 8.7).
На рідину всередині цієї трубки діють сила тиску F д = πг 2 (Р 1 - Р 2) і сила в'язкого тертя F тр = 2πrLηdv/dr (2πrL - пло-
Рис. 8.7.Трубка струму і сила тертя, що діє на неї.
щадь бічної поверхні). Оскільки течія стаціонарна, сума цих сил дорівнює нулю:
Відповідно до наведеного виразу має місце параболічна залежність швидкості vшарів рідини від відстані від них до осі труби r (огинає всіх векторів швидкості парабола) (рис. 8.8).
Найбільшу швидкість має поточний шар вздовж осі труби(r = 0), шар, що «прилип» до стінки (r = R), нерухомий.
Рис. 8.8.Швидкості шарів поточної через трубку рідини розподілені по параболі
Турбулентна (вихрова) течія- Така течія, при якій швидкості частинок рідини в кожній точці безладно змінюються. Такий рух супроводжується появою звуку. Турбулентний перебіг - це хаотичний, вкрай нерегулярний, невпорядкований перебіг рідини. Елементи рідини здійснюють рух складними невпорядкованими траєкторіями, що призводить до перемішування шарів і утворення місцевих завихрень.
Структура турбулентної течії є нестаціонарною сукупністю дуже великої кількості малих вихорів, накладених на основне «середнє протягом».
При цьому говорити про течію в той чи інший бік можна лише за якийсь проміжок часу.
Турбулентна течія пов'язана з додатковою витратою енергії при русі рідини: частина енергії витрачається на безладний рух, напрямок якого відрізняється від основного напрямку потоку, що у разі крові призводить до додаткової роботи серця. Шум, що виникає при турбулентному перебігу крові, може бути використаний для діагностування захворювання. Цей шум прослуховується, наприклад, на плечовій артерії під час вимірювання тиску крові.
Турбулентний рух крові може виникнути внаслідок нерівномірного звуження просвіту судини (або локального випирання). Турбулентний перебіг створює умови для осідання тромбоцитів та утворення агрегатів. Цей процес часто є пусковим
у формуванні тромбу. Крім того, якщо тромб слабо пов'язаний із стінкою судини, то під дією різкого перепаду тиску вздовж нього внаслідок турбулентності він може почати рухатися.
Число Рейнольдса
Поняття ламінарності та турбулентності застосовні як до перебігу рідини по трубах, так і до обтікання нею різних тіл. В обох випадках характер перебігу залежить від швидкості течії, властивостей рідини та характерного лінійного розміру труби або тіла, що обтікається.
Англійський фізик та інженер Осборн Рейнольдс (1842-1912) становив безрозмірну комбінацію, величина якої й визначає характер течії. Згодом цю комбінацію назвали числом Рейнольдса (Re):
Число Рейнольдса використовують при моделюванні гідро- та аеродинамічних систем, зокрема кровоносної системи. Модель повинна мати таке ж число Рейнольдса, як і сам об'єкт, інакше відповідності між ними не буде.
Важливою властивістю турбулентної течії (порівняно з ламінарним) є високий опір потоку. Якби вдалося «погасити» турбулентність, вдалося б досягти величезної економії потужності двигунів кораблів, підводних човнів, літаків.
8.4. Формула Пуазейля, гідравлічний опір
Розглянемо, від яких чинників залежить обсяг рідини, що протікає горизонтальною трубою.
Формула Пуазейля
При ламінарному перебігу рідини трубою радіуса R і довжини L об'єм Q рідини, що протікає через горизонтальну трубу за одну секунду, можна обчислити наступним чином. Виділимо тонкий циліндричний шар радіусу r та товщини dr (рис. 8.9).
Рис. 8.9.Переріз труби з виділеним шаром рідини
Площа поперечного перерізу дорівнює dS = 2πrdr. Оскільки виділений тонкий шар, рідина в ньому переміщається з однаковою швидкістю v.За одну секунду шар перенесе об'єм рідини
Підставивши сюди формулу для швидкості циліндричного шару рідини (8.4), отримаємо
Це співвідношення справедливе для ламінарного перебігу ньютонівської рідини.
Формулу Пуазейля можна записати у вигляді справедливому для труб змінного перерізу. Замінимо вираз (Р 1 - Р 2)/L на градієнт тиску dP/d/, тоді отримаємо
Як видно з (8.8), при заданих зовнішніх умовах об'єм рідини, що протікає по трубі, пропорційний четвертого ступеняїї радіус. Це дуже сильна залежність. Так, наприклад, якщо при атеросклерозі радіус судин зменшиться в 2 рази, то для підтримки нормального кровотоку перепад тиску потрібно збільшити у 16 разів, що практично неможливо. В результаті виникає кисневе голодування відповідних тканин. Цим пояснюється виникнення «грудної жаби». Полегшення можна досягти, вводячи лікарську речовину, яка розслаблює м'язи артеріальних стінок і дозволяє збільшити просвіт судини і, отже, потік крові.
Потік крові, що проходить через судини, регулюється спеціальними м'язами, що оточують судину. При їх скороченні просвіт судини зменшується і відповідно зменшується потік крові. Таким чином, незначним скороченням цих м'язів дуже точно контролюється надходження крові до тканин.
В організмі шляхом зміни радіусу судин (звуження або розширення) за рахунок зміни об'ємної швидкості кровотоку регулюється кровопостачання тканин, теплообмін із навколишнім середовищем.
Причини руху крові по судинах
Головна рушійна сила кровотоку - різниця тисків на початку і в кінці судинної системи: у великому колі кровообігу - різниця тисків в аорті та правому передсерді, у малому колі - у легеневій артерії та лівому передсерді.
Додаткові фактори, що сприяють руху крові по венах у бік серця:
1) напівмісячні клапани вен кінцівок, які відкриваються під тиском крові лише у бік серця;
2) присмоктуюча дія грудної клітки, пов'язана з негативним тиском у ній при вдиху;
3) скорочення м'язів кінцівок, наприклад, при ходьбі. При цьому відбувається натискання на стінки вен, і кров, завдяки клапанам і дії грудної клітки, що присмоктує, при вдиху, вичавлюється в ділянки, розташовані ближче до серця.
Гідравлічний опір
Проведемо аналогію між формулою Пуазейля та формулою закону Ома для ділянки ланцюга струму: I = ΔU/R. Для цього перепишемо формулу (8.8) у наступному вигляді: Q = (P 1 - Р 2)/. Якщо порівняти цю формулу із законом Ома для електричного струму, то об'єм рідини, що протікає через переріз труби за секунду, відповідає силі струму; різницю тисків на кінцях труби відповідає різниці потенціалів; а величина 8ηL /(πR 4) відповідає електричному опору. Її називають гідравлічним опором:
Гідравлічний опір труби прямо пропорційно її довжині і обернено пропорційночетвертого ступенярадіусу.
Якщо зміною кінетичної енергії рідини на деякій ділянці можна знехтувати, то розглянута аналогія може бути застосована і до потоку змінного перерізу:
гідравлічним опором ділянки називається відношення перепаду тисків до об'єму рідини, що протікає за 1 секунду:
Наявність гідравлічного опору пов'язані з подоланням сил внутрішнього тертя.
Закони гідродинаміки значно складніші за закони постійного струму, тому і закони з'єднання труб (кровоносних судин) складніші за закони з'єднання провідників. Так, наприклад, місця різкого звуження потоку (навіть при невеликій довжині) мають великий власний гідравлічний опір. Цим пояснюється значне збільшення гідравлічного опору кровоносної судини при утворенні невеликої бляшки.
Наявність власного опору біля місць різкого звуження потоку необхідно враховувати при розрахунку опору ділянки, що складається
Рис. 8.10.Труби, з'єднані послідовно (а) та паралельно (б)
із труб різного діаметру. На рис. 8.10,а показано послідовний опір трьох труб. Місця звуження мають власний опір Х 12 і Х 23 . Тому опір ділянки дорівнює
Електричний аналог (8.13) формули для розрахунку гідродинамічного опору паралельного з'єднання (рис. 8.10 б) також вимагає обліку опорів місць з'єднання труб.
8.5. Розподіл тиску при перебігу реальної рідини по трубах різного перерізу
При перебігу горизонтальною трубою реальної рідини робота зовнішніх сил витрачається на подолання внутрішнього тертя. Тому статичний тиск уздовж труби поступово падає. Цей ефект можна продемонструвати на простому досвіді. Встановимо у різних місцях горизонтальної труби, якою тече в'язка рідина, манометричні трубки (рис. 8.11).
Рис. 8.11.Падіння тиску в'язкої рідини в трубах різного перерізу
З малюнка видно, що з постійному перерізі труби тиск падає пропорційно довжині. При цьому швидкість падіння тиску (dP/d l) збільшується при зменшенні перерізу труби. Це пояснюється зростанням гідравлічного опору при зменшенні радіусу.
У кровоносній системі людини капіляри припадає до 70 % падіння тиску.
8.6. Методи визначення в'язкості рідин
Сукупність методів вимірювання в'язкості рідини називається віскозиметрією.Прилад для вимірювання в'язкості називається віскозиметром.Залежно від методу виміру в'язкості використовують такі типи віскозиметрів.
1. Капілярний віскозиметр Оствальда ґрунтується на використанні формули Пуазейля. В'язкість визначається за результатом вимірювання часу протікання через капіляр рідини відомої маси під дією сили тяжіння за певного перепаду тисків.
2. Медичний віскозиметр Гесса з двома капілярами, в яких рухаються дві рідини (наприклад, дистильована вода та кров). В'язкість однієї рідини має бути відома. Враховуючи, що переміщення рідин за те саме час назад пропорційно їх в'язкості, обчислюють в'язкість другої рідини.
3. Віскозиметр, заснований на методі Стокса, згідно з яким при русі кульки радіуса R рідини з в'язкістю η при невеликій швидкості vсила опору пропорційна в'язкості цієї рідини: F = 6? Rv (формула Стокса). Еритроцити переміщуються у в'язкій рідині – плазмі крові. Так як еритроцити мають дископодібну форму і осідають у в'язкій рідині, швидкість їх осідання (ШОЕ) можна визначити приблизно за формулою Стокса. Про швидкість осідання судять за кількістю плазми над осілими еритроцитами. У нормі швидкість осідання еритроцитів дорівнює: 7-12 мм/год для жінок та 3-9 мм/год для чоловіків.
4. Віскозиметр ротаційний(Рис. 8.12) складається з двох коаксіальних (співвісних) циліндрів. Радіус внутрішнього циліндра - R, радіус зовнішнього циліндра - R+ΔR (ΔR<< R). Пространство между цилин-
Рис. 8.12.Ротаційний віскозиметр (перетину вздовж і перпендикулярно до осі)
драмі заповнюють досліджуваною рідиною до деякої висоти h. Потім внутрішній циліндр приводять у обертання, прикладаючи певний момент сил М, і вимірюють частоту обертання ν, що встановилася.
В'язкість рідини обчислюють за формулою
Застосовуючи ротаційний віскозиметр, можна вимірювати в'язкість за різних кутових швидкостях обертання ротора. Даний метод дозволяє встановити залежність між в'язкістю та градієнтом швидкості, що важливо для неньютонівських рідин.
8.7. Вплив в'язкості на деякі медичні
процедури
Наркоз
У деяких медичних заходах вживається наркоз. При цьому необхідно по можливості зменшити зусилля, що витрачаються хворим на дихання через ендотрахеальні та інші дихальні трубки, за допомогою яких подається дихальна суміш із апаратів для наркозу (рис. 8.13).
Для забезпечення плавного газового потоку використовують плавно вигнуті з'єднувальні трубки. Нерівності внутрішніх стінок трубки, різкі вигини та зміни внутрішнього діаметра трубок
Рис.8.13.
Дихання хворого через ендотрахеальну трубку
Рис. 8.14.Виникнення турбулентності газового потоку в трубці з різкими неоднорідностями по перерізу
та сполук часто є причинами переходу ламінарного потоку в турбулентний (рис. 8.14), що ускладнює процес дихання у хворого.
На малюнку 8.15 наведено рентгенівський знімок голови хворого, що показує, що ендотрахеальна трубка перегнулася в глотці. В даному випадку у хворого обов'язково виникнуть труднощі дихання.
Введення рідин через шприц та крапельницю
Шприц – дуже простий прилад (рис. 8.16), який використовують для ін'єкцій. Проте при описі його роботи часто допускається помилка, пов'язана зі знаходженням перепаду тисків (Р) на голці, що призводить до невірного результату. Вважають що
Рис. 8.15.Рентгенівський знімок, на якому видно перегин дихальної трубки
Рис. 8.16.Робота шприца
ΔP = F/S, де F - сила, що діє на поршень, а S - його площу. При цьому виходять з таких міркувань: поршень рухається повільно і динамічним тиском рідини в циліндрі можна
знехтувати. Це неправильно - на вході в голку лінії струму згущуються і швидкість руху рідини різко зростає.
Суворий розрахунок (див. Завдання 8.12) призводить до наступного результату. Перепад тиску на голці (ΔР) є розв'язком квадратного рівняння
Значення всіх величин підставляються СІ.
Нижче наводяться результати розрахунків для двох голок довжини 4 см діаметри яких відрізняються в 1,5 рази.
З результатів, представлених у нижній таблиці, видно, що АР зовсім не дорівнює F/S! При цьому збільшення діаметра голки в 1,5 рази призводить до збільшення об'ємної швидкості всього в 3,5 рази, а не в 5 разів (1,5 4 = 5,06), як на це можна було очікувати. Ламінарний характер течії має місце в обох випадках.
Іншим приладом для внутрішньовенного вливання є крапельниця (рис. 8.17), яка дозволяє вводити рідину самопливом за рахунок різниці тисків, що створюється під час підйому камери з препаратом на певну висоту (~60 см).
Формули 8.14, 8.15 застосовні і тут, якщо замінити величину F/S гідростатичний тиск стовпа рідини pgh. У цьому S - площа перерізу трубки, а u - швидкість руху рідини у ній. Нижче наведено результати розрахунків для h = 60 див.
Отримані значення правильні, але не відповідають тому, що відбувається насправді. В даному випадку виходить підвищене значення для об'ємної швидкості введення препарату - 0,827 см 3 /с. Реальна швидкість Q = 0,278 см3/с (з розрахунку 500 мл за 30 хвилин). Розбіжність виходить через те, що не враховано гідравлічний опір, створюваний пристроєм, що перетискає трубку.
Риноманометрія
Повноцінне носове дихання є необхідною передумовою для нормальної функції слухової труби, яка багато в чому залежить від ступеня аерації носоглотки та правильного проходження повітряних потоків у порожнині носа. Причиною порушення носового дихання часто є деякі вроджені патології, наприклад ущелина верхньої губи та піднебіння. Часто під час лікування цієї патології
Рис. 8.17.Введення препарату через крапельницю
використовуються хірургічні методи, наприклад, реконструктивна ринохейлопластика (ринопластика - операції відновлення носа). Для об'єктивної характеристики результатів оперативного втручання використовується риноманометрія – метод визначення обсягу носового дихання та опору. Швидкість повітряного потоку характеризується формулою Пуазейля, у своїй враховується градієнт тиску, обумовлений зміною тиску в носоглоточном просторі; діаметр та довжина носової порожнини; характеристики повітряного потоку в носоглотці (ламінарність або турбулентність). Даний метод реалізується за допомогою приладу - риноманометра,який дозволяє реєструвати тиск у одній половині носа, поки пацієнт дихає через іншу. Це здійснюється за допомогою катетера, який спеціально кріпиться у носі. Комп'ютерна схема риноманометра дозволяє автоматично виміряти загальний об'єм та опір повітря на вдиху та видиху, окремо проаналізувати потік та опір повітря в кожній половині носа та розрахувати їх співвідношення. Це дозволяє визначити носове дихання до і після операції та оцінити ступінь відновлення носового дихання.
Фотогемотерапія
При захворюваннях, що супроводжуються підвищенням в'язкості крові, зменшення в'язкості крові застосовується метод фотогемотерапії. Він полягає в тому, що у хворого беруть невелику кількість крові (приблизно 2 мл/кг ваги), піддають її УФ-опроміненню та вводять назад у кровоносне русло. Приблизно через 5 хв після введення хворим на 100-200 мл опроміненої крові спостерігається значне зниження в'язкості у всьому обсязі (близько 5 л) циркулюючої крові. Дослідження залежності в'язкості від швидкості руху крові показали, що при фотогемотерапії в'язкість найсильніше знижується (приблизно на 30%) в повільно рухається крові і зовсім не змінюється в крові, що швидко рухається. УФ-опромінення викликає зниження здатності еритроцитів до агрегації та збільшує деформованість еритроцитів. Крім цього відбувається зниження утворення тромбів. Всі ці явища призводять до значного поліпшення макро-, так і мікроциркуляції крові.
8.8. Основні поняття та формули
Закінчення таблиці
8.9. Завдання
1. Вивести формулу визначення в'язкості ротаційним віскозиметром. Дано: R, R, h, ν, M.
2.
Визначити час протікання крові через капіляр віскозиметра, якщо вода протікає через нього за 10 секунд. Обсяги води та крові однакові. Щільність води та крові дорівнюють p 1 = 1 г/см 3 , ρ 2 = 1,06 г/см 3 . В'язкість крові щодо води дорівнює 5 (? 2 /? 1 = 5).
3.
Припустимо, що у двох кровоносних судинах градієнт тиску однаковий, а потік крові (об'ємний витрата) у другій судині на 80% менше, ніж у першому. Знайти відношення їхніх діаметрів.
4.
Якою має бути різниця тисків АР на кінцях капіляра радіусу r = 1 мм і довжини L = 10 см, щоб за час t = 5 с через нього можна було пропустити об'єм V = 1 см 3 води (коефіцієнт в'язкості η 1 = 10 -3 Пас ) чи гліцерину (η 2 = 0,85 Пас)?
5.
Падіння тиску в кровоносній судині довжини L = 55 мм і радіуса r = 1,5 мм дорівнює 365 Па. Визначити, скільки мілілітрів крові протікає через судину протягом 1 хвилини. Коефіцієнт в'язкості крові η = 4,5 мПа-с.
6.
При атеросклерозі внаслідок утворення бляшок на стінках судини критичне значення числа Рейнольдса може знизитися до 1160. Визначити для цього випадку швидкість, при якій можливий перехід ламінарного перебігу крові в турбулентне в посудині діаметром 2,5 мм. Щільність крові дорівнює ρ = 1050 кг/м 3 в'язкість крові дорівнює η = 5х10 -3 Пас.
7.
Середня швидкість крові в аорті радіусом 1 см дорівнює 30 см/с. З'ясувати, чи є цей перебіг ламінарним? Щільність крові ρ = 1,05 х10 3 кг/м 3 .
η = 4х10 -3 Па-с; Rе кр = 2300.
8. При великому фізичному навантаженні швидкість кровотоку іноді збільшується вдвічі. Використовуючи дані прикладу завдання (7), визначити характер течії в цьому випадку.
Рішення
Re = 2x1575 = 3150. Перебіг турбулентний.
Відповідь:число Рейнольдса більше критичного значення, тому перебіг може стати турбулентним.
10.
Визначити максимальну масу крові, яка може пройти за 1 с через аорту за збереження ламінарного характеру перебігу. Діаметр аорти D = 2 см, в'язкість крові η = 4x10 -3 Па-с.
11.
Визначити максимальну об'ємну швидкість протікання рідини голкою шприца з внутрішнім діаметром D = 0,3 мм, при якій зберігається ламінарний характер течії.
12.
Знайти об'ємну швидкість рідини у голці шприца. Щільність рідини – ρ; її в'язкість – η; діаметр і довжина голки D та L відповідно; сила, що діє на поршень, - F; площа поршня – S.
Інтегруючи по r, отримаємо:
Нехай поршень шприца рухається під дією сили F зі швидкістю u. Тоді потужність зовнішньої сили N F = Fu.
Сумарна робота всіх сил дорівнює зміні кінетичної енергії. Отже,
Підставивши знайдене значення A P у друге рівняння, отримаємо всі цікаві для нас величини: швидкість поршня і, об'ємну швидкість кровотоку Q, швидкість рідини в голці v.
Протягом року при сезонній зміні температури в'язкість нафти, що транспортується, змінюється (рис. 1.20). У разі підвищення температури нафти від t 1 до t 2 в'язкість нафти зменшується. Це призводить до зменшення гідравлічного опору трубопроводу (H 2
Розглянемо вплив зміни в'язкості нафти величину підпорів ПС. Припустимо, що на всіх станціях встановлено однакове число однотипних насосів, підпір на головній станції, що перекачує h П, залишковий напір на кінцевому пункті h ОСТ. Приймемо для простоти, що нафтопровід складається з однієї експлуатаційної ділянки N Е =1, а число ПС становить n (рис. 1.21).
Натиск станції, що перекачує, в зимовий період складе
у літній період
де H 1 , H 2 – сумарні втрати напору у трубопроводі, відповідно у зимовий та літній періоди. 
Рис. 1.20. Поєднана характеристика трубопроводу та ПС
при зміні в'язкості нафти
Рис. 1.21. Вплив сезонної зміни в'язкості нафти 
на величину підпорів перед ПС
З початкової точки профілю траси відкладемо у вертикальному масштабі значення H 1 і H 2 потім вершини відрізків з'єднаємо прямими з точкою z K + h ОСТ. Отримані лінії відповідають положенню ліній гідравлічних ухилів у зимовий i 1 та літній i 2 періоди.
Припустимо, що траса трубопроводу - висхідна пряма AB. Як видно з побудов, при розстановці станцій така траса буде розбита на рівні ділянки завдовжки L/n. При цьому лінії гідравлічних ухилів i 1 і i 2 перетнуть лінію AB в одних і тих же точках. Це говорить про те, що за монотонного профілю траси нафтопроводу зміна в'язкості нафти не впливає на величину підпорів на вході проміжних ПС.
У реальних умовах профіль траси може бути сильно перетнутим, тоді відстані між станціями, що перекачують, будуть неоднакові (l 1 l 2 l 3 l n). Розглянемо зміну опору перед ПС у разі.
Величину підпору H C перед с-й ПС можна знайти з рівняння балансу напорів
де a = m M a M та b = m M b M .
Значення витрати у виразі (1.61) визначається з рівняння балансу напорів нафтопроводу загалом (1.37), що дозволяє записати
. (1.62)
Після підстановки (1.62) у (1.61), отримаємо
Як випливає з виразу (1.63), від величини в'язкості залежить лише один співмножник, оскільки.
Введемо позначення:
;
-Середня відстань між станціями, що перекачують, на ділянці до с-ї ПС;
-Середня арифметична відстань між ПС;
З урахуванням прийнятих спрощень вираз (1.63) можна подати у вигляді
де 
.
Розмір F прямо пропорційно залежить від зміни в'язкості нафти: при зниженні в'язкості зменшується і величина F.
Якщо виконується умова L ср< l ср(С) , то при уменьшении вязкости подпор на с-й ПС возрастает. В противном случае при L ср >l ср(С) підпір на с-й ПС знижується і може виявитися меншим за допустиме значення H min (рис. 1. 21). У разі розміщення ПС згідно з гідравлічним розрахунком при мінімальній температурі нафти (t 1 =t min , 1 = mах), необхідно проаналізувати роботу кожного перегону в літній період.
У літню пору, якщо дозволяє міцність труби, можна збільшити підпір на ГПС включенням додаткового послідовно з'єднаного підпірного насоса.
У промисловості, науковій діяльності часто необхідно обчислити коефіцієнт в'язкості рідини. Робота зі звичайними або дисперсними середовищами у вигляді аерозолів, газових емульсій потребує знань про фізичні властивості цих речовин.
Ще Ньютон започаткував таку науку, як реологія. Ця галузь займається вивченням опору речовини під час руху, т. е. в'язкості.
У рідинах та газах відбувається безперервна взаємодія молекул. Вони ударяються один про одного, відштовхуються або просто пролітають повз. У результаті шари речовини хіба що взаємодіють друг з одним, надаючи швидкість кожному їх. Явище подібної взаємодії молекул рідин/газів і називається в'язкістю, або внутрішнім тертям.
Щоб краще розглянути цей процес, необхідно продемонструвати досвід із двома пластинками, між якими знаходиться рідке середовище. Якщо рухати верхню пластинку, то шар рідини, що «прилип» до неї, також почне рухатися з певною швидкістю v1. Через короткий проміжок часу помічаємо, що шари рідини, що нижчележать, також починають рухатися по тій же траєкторії зі швидкістю v2, v3 ... vn і т. д., причому v1> v2, v3 ... vn. Швидкість найнижчого з них залишається нульовою.
На прикладі газу такий досвід провести практично неможливо, тому що сили взаємодії молекул одна з одною дуже малі, і візуально це зареєструвати не вдасться. Тут теж говорять про шари, швидкість руху цих шарів, тому в газоподібних середовищах також існує в'язкість.
Ньютонівська рідина – це така рідина, в'язкість якої можна вирахувати за допомогою формули Ньютона.
До таких середовищ відносяться вода та розчини. p align="justify"> Коефіцієнт в'язкості рідини в таких середовищах може залежати від таких факторів, як температура, тиск або будова атома речовини, проте градієнт швидкості завжди залишиться незмінним.
Неньютонівські рідини - це такі середовища, в яких згадане вище значення може змінюватися, а отже, формула Ньютона тут не діятиме. До таких речовин відносяться всі дисперсні середовища (емульсії, аерозолі, суспензії). Сюди належить і кров. Про це детальніше поговоримо далі.
Як відомо, 80% крові становить плазма, яка має рідкий агрегатний стан, а решта 20% - це еритроцити, тромбоцити, лейкоцити та різні включення. Еритроцити людини мають діаметр 8 нм. У нерухомому стані вони формують агрегати у вигляді монетних стовпчиків, при цьому суттєво підвищують в'язкість рідини. Якщо струм крові активний, ці «конструкції» розпадаються, а внутрішнє тертя відповідно зменшується.
Взаємодія шарів середовища один на одного позначається на характеристиках усієї системи рідини чи газу. В'язкість – це один із прикладів такого фізичного явища, як тертя. Завдяки їй верхні та нижні шари середовища поступово вирівнюють швидкості свого струму, і зрештою вона прирівнюється до нуля. Також в'язкість можна характеризувати як опір одного шару середовища іншому.
Для опису таких явищ виділяють дві якісні характеристики внутрішнього тертя:
Обидві величини пов'язані рівнянням υ = η/ρ, де ρ – щільність середовища, υ – кінетична в'язкість, а η – динамічна в'язкість.
Віскозиметрія – це вимір в'язкості. На етапі розвитку науки знайти значення в'язкості рідини практичним шляхом можна чотирма способами:
1. Капілярний метод. Для його проведення необхідно мати дві судини, з'єднані скляним каналом невеликого діаметра відомої довжини. Також потрібно знати значення тиску в одній посудині та іншій. Рідина міститься у скляний канал, і за певний проміжок часу вона перетікає з однієї колби до іншої.
Подальші підрахунки проводяться за допомогою формули Пуазейля для знаходження значення в'язкості коефіцієнта рідини.
Насправді рідкі середовища можуть бути розпечені до 200-300 градусів суміші. Звичайна скляна трубка в таких умовах просто деформувалася або навіть луснула, що неприпустимо. Сучасні капілярні віскозиметри зібрані з якісного та стійкого матеріалу, який легко переживає такі навантаження.
2. Медичний метод з Гессе. Щоб розрахувати в'язкість рідини у такий спосіб, необхідно мати не одну, а дві ідентичні капілярні установки. В одну з них поміщають середовище із заздалегідь відомим значенням внутрішнього тертя, а в іншу - рідину, що досліджується. Далі вимірюють два значення часу і становлять пропорцію, якою виходять на потрібне число.
3. Ротаційний метод. Для його проведення необхідно мати конструкцію із двох співвісних циліндрів. Це означає, що один із них має бути всередині іншого. У проміжок між ними заливають рідину, а потім надають швидкість внутрішнього циліндра. Ця кутова швидкість також повідомляється рідини. Різниця в силі моменту дозволяє обчислити в'язкість середовища.
4. Визначення в'язкості рідини шляхом Стокса. Для цього досвіду необхідно мати віскозиметр Гепплера, який є циліндр, заповнений рідиною. Перед початком експерименту роблять дві позначки на циліндрі та вимірюють довжину між ними. Потім беруть кульку певного радіусу R і опускають її в рідке середовище. Щоб визначити швидкість його падіння, знаходять час пересування об'єкта від однієї позначки до іншої. Знаючи швидкість руху кульки, можна обчислити в'язкість рідини.
Визначення в'язкості рідини має велике практичне значення у нафтопереробній промисловості. Працюючи з багатофазними, дисперсними середовищами важливо знати їх фізичні властивості, особливо внутрішнє тертя. Сучасні віскозиметри виготовлені з міцних матеріалів, при їх виробництві задіяні передові технології. Все це разом дозволяє працювати з високою температурою і тиском без шкоди для самого обладнання.
В'язкість рідини відіграє велику роль у промисловості, тому що транспортування, переробка та видобуток, наприклад, нафти залежать від значень внутрішнього тертя рідинної суміші.
Надходження газової суміші через ендотрахеальну трубку залежить від внутрішнього тертя цього газу. Зміна значень в'язкості середовища тут по-різному відбивається на проникненні повітря через апарат і залежить від складу газової суміші.
Введення лікарських препаратів, вакцин через шприц також є яскравим прикладом дії в'язкості середовища. Йдеться про перепади тиску на кінці голки при впорскуванні рідини, хоча спочатку вважали, що цим фізичним явищем можна знехтувати. Виникнення високого тиску на наконечнику – це результат дії внутрішнього тертя.
В'язкість середовища – це одна з фізичних величин, яка має велике практичне застосування. У лабораторії, промисловості, медицині - у всіх цих галузях поняття внутрішнього тертя фігурує дуже часто. Робота найпростішого лабораторного обладнання може залежати від ступеня в'язкості середовища, яке використовується для досліджень. Навіть переробна промисловість не обходиться без знань у галузі фізики.
В'язкість олії. Зростання та зменшення в'язкості.
Тема в'язкості була порушена у багатьох технічних документах, і це були серйозні причини. В'язкість олії його найважливіша фізична властивість і вона, ця властивість, є сутністю олії. Система вимірювання в'язкості, як наприклад SAE (Society of Automotive Engineers)1 для автомобільних масел та ISO (International Standards Organisation)2 для промислового застосування, отримали загальне схвалення як засіб класифікації мастил.
Статей, що відносяться до в'язкості, було багато: система класифікації мастил, як масло працює, чому так багато видів масла, тертя і змащування і як читати інформацію на каністрі масла. Інші статті торкнулися питання про те, як вимірюється в'язкість. Але чому ми взагалі маємо хвилюватися про вимірювання в'язкості?
По-перше, як раніше було згадано, в'язкість визначає застосування олії, щоб можна було порівняти з тим, що зазначено у документації. По-друге, зміна в'язкості, неважливо збільшення або зменшення, може відбивати хімічні та фізичні зміни в олії, які можуть спричинити несправність обладнання. Ці зміни в'язкості, їх причини будуть розглянуті в цій статті.
ЩО ТАКЕ В'ЯЗКІСТЬ?
Але спочатку невелика перевірка. В'язкість це особливий вимір рідинного опору потоку залежно від температури. Однак є два види в'язкості.
Динамічна чи абсолютна в'язкість визначається як відношення сили зсуву до швидкості зсуву залежно від температури. Для тих з вас кому потрібно більш точне визначення, це тангенціальна сила на одиницю площі, необхідна для зсуву однієї горизонтальної площини щодо іншої, зі швидкістю в одну одиницю, що знаходяться на одиниці відстані між площинами рідини. У системі СІ динамічна в'язкість визначається як Ньютон за секунду на квадратний метр або Паскаль за секунду (Н*с*м-2 або Па*с). Не входить у СІ, але прийнята одиниця – Пуаз, це 0,1H*c*м-2. Оскільки динамічна в'язкість реальних рідин постійно незначна величина, то частіше використовують сантипуаз (сП, 10-3Н*с*м-2) і позначається грецькою літерою "ця".
Динамічна в'язкість важлива щодо низькотемпературних властивостей мастил, та її рідко застосовують під час аналізу масла чи визначення класу в'язкості (ми ще повернемося до цього пізніше). За багатьма серйозними причинами, дослідника олії цікавить кінематична в'язкість.
Кінематична в'язкість - похідна величина і визначається досить просто: динамічна в'язкість рідини ділиться на її щільність за певної температури. Вона може бути визначена як опір потоку під дією сили тяжіння. Одиниця виміру – сантиметр квадратний на секунду (см2*с-1), також відома як Стокс (Ст) і позначається грецькою літерою ню, СІ 1Ст = 10-4м2*с-1. Найбільш поширене позначення – сантистокс, це міліметр у квадраті за секунду (мм2*с-1). Переважні температури, при яких проводяться вимірювання, це 40°C і 100°C.
Це дуже важливо, щоб температура, при якій в'язкість була виміряна, була відзначена, оскільки в'язкість змінюється разом із температурою. Як температура зростає, в'язкість падає, як показано на спрощеному графіку нижче:
Залежність Температура/В'язкість
Рис. 1: Залежність Температура/В'язкість.
Понад те, зі зростанням температури в різних масел в'язкість зменшується різну величину. Так виникає таке поняття як індекс в'язкості (viscosity index або VI). Індекс в'язкості – це безрозмірна величина, яка характеризує зміну в'язкості залежно від зміни температури. Зі зростанням температури, у олій з низьким VI швидкість зменшення в'язкості буде вищою, ніж у олій з вищим VI. Звичайне літнє моторне масло, як наприклад, SAE 30 має VI близько 95, тоді як всесезонне масло 15W-40 матиме VI близько 135. Зі зростанням температури всесезонне масло «втрачає» в'язкість не так швидко, як літнє, маючи, таким чином, стабільну в'язкісну характеристику для більш широкого діапазону температур, хоча обидва типи масла мають в'язкість близько 100 сСт при 40°C.
В системі в'язкості SAE, більш високому значенню, відповідає більш висока в'язкість, тобто олія з в'язкістю SAE 15W-40 поводиться як SAE 15 у холоді і як SAE 40 у нагрітому стані. Це дає необхідний захист під час робочих температур, доки забезпечується умова, що масло в холодному двигуні не надто в'язке для того, щоб текти. Фактично "W" означає "Winter" (Зима). Графік розташований нижче ілюструє залежність між сезонним та всесезонним маслом.
Сезонне/Всесезонне масло – залежність від температури
Рис. 2: Сезонне/Всесезонне масло – залежність від температури (спрощено).
VI олії може бути збільшений різними шляхами. Звичайна мінеральна олія має у своєму складі присадки. VII - viscosity index improver (покращувачі індексу в'язкості), які є довгими ланцюжками органічних полімерів, які залишаються акуратно згорнутими поки що холодно. Але щойно температура починає зростати, полімери «розмотуються» і тим самим уповільнюють зменшення в'язкості, викликане зростанням температури. Мінеральні олії глибокого очищення мають природно високий VI, оскільки процес очищення видаляє компоненти нафти з низьким VI. Нарешті, синтетичні мастильні матеріали можуть бути хімічно розроблені так, щоб мати високий індекс в'язкості. Запам'ятайте, просто очищення олії, без будь-яких присадок, дає натуральний, високий VI.
Індекс в'язкості олії може бути визначений виміром кінематичної в'язкості олії при двох температурах, зазвичай це 40°C та 100C. Кінематична в'язкість визначається за допомогою кінематичного віскозиметра. Типові інструменти представлені на зображенні нижче.
Кінематичні віскозиметри
Рис. 3: Кінематичні віскозиметри.
Силіконова масляна ванна при постійній температурі (з точністю до однієї двадцятої градуса) та серія трубок, занурених у ванну. Олія тече по трубках під дією сили тяжіння до тих пір, поки не досягне електронного сенсора в нижній частині трубки. Коли масло проходить через сенсор, вмикається таймер. На невеликій відстані після цього є ще один сенсор, який зупиняє таймер, коли масло проходить повз нього. Грунтуючись на відомому нам діаметрі трубки та часу проходження олії між двома сенсорами, ми можемо обчислити в'язкість. В'язкова трубка показана нижче.
В'язкова трубка.
Рис. 4: В'язкова трубка.
Цей метод дослідження дуже простий. Він також швидкий, дешевий, точний і відтворюємо. Це зовсім не так щодо динамічної в'язкості, коли плівка масла розташована між двома пластинами і вимірюється сила, необхідна для кручення однієї пластини щодо іншої. Явні переваги виміру кінематичної в'язкості підштовхують нас до вибору саме цього методу. Однак динамічна в'язкість дала б нам вірніше відображення того, що насправді відбувається в мастильній системі. Вимірювання кінематичної в'язкості, під дією гравітації, піддають олію дуже невеликим зусиллям зсуву, тоді як під час вимірювання динамічної в'язкості, виявляється наближене до реального зусилля зсуву, яке зустрічається в механічних системах, а це, у свою чергу, може відбитися на в'язкості олії в реальній ситуації.
Перш ніж ми рушимо далі, давайте розглянемо деякі одиниці вимірювання кінематичної в'язкості, що мало використовуються. Універсальні Секунди Сейболту або В'язкість по Сейболту (SUS - Saybolt Universal Seconds), була популярна в США, і ґрунтувалася на кількості секунд необхідних для проходження 60 мл олії через спеціальний калібрований отвір. Пов'язані з SUS (або SSU) та Furol Секунди Сейболта (SFS - Saybolt Furol Seconds). Це в основному те саме, що й універсальні виміри, але застосовується до більш в'язких рідин. «Furol» - це акронім від «Fuel and Road Oils» (Паливо та Дорожні Олії). Градуси Енглера були популярні в континентальній Європі і засновані на часі займаного проходженням потоку 200мл масла через віскозиметр до часу, що займається таким же об'ємом води при 20°C. Секунди Редвуда використовувалися у Великобританії, цей метод заснований на часі, що займає потоком 50мл масла через віскозиметр. Існують коефіцієнти перекладу результатів вимірювань від однієї системи до іншої, але тільки температура повинна бути фіксованою, а також зазвичай припускають, що олія має VI від 95.
Отже, тепер ми знаємо, що вимірюємо, але навіщо ми це вимірюємо і як ми розпорядимося цим – що означають ці результати? У чому сенс в'язкості, вона занадто маленька чи занадто велика? Які причини змушують в'язкість змінюватися?
ПРИЧИНИ ЗМІНИ В'ЯЗКОСТІ
В'язкість масла може зростати від ряду причин, таких як полімеризація, окислення, випаровування низькокиплячих фракцій та утворення розчиненого коксу та оксидів. Забруднення, такі як вода, повітря, сажа, антифриз та додавання «неправильної» олії, можуть також бути причиною зростання в'язкості олії. Давайте розглянемо кожен із цих факторів окремо.
Густий шлам, що утворився в моторному маслі (забруднення сажею)
Рис. 5: Густий шлам, що утворився в моторному маслі (забруднення сажею).
ПОЛІМЕРИЗАЦІЯ
Полімеризація основних компонентів олії може відбуватися, коли олія тривалий час піддається впливу високих температур. Базова олія містить варіації різних, але тісно пов'язаних між собою органічних компонентів. Висока температура може спричинити те, що деякі компоненти в результаті хімічних реакція почнуть «склеюватися» між собою, створюючи високомолекулярні важкі компоненти. Результатом цього стає значне збільшення в'язкості та точки кипіння олії.
ОКИСЛЕННЯ
Інший процес, близько пов'язаний із полімеризацією, це окислення, т.к. зростання окислення також є наслідком впливу високої робочої температури. Базова олія може вступати в реакцію з атмосферним киснем. Ця реакція відома нам під назвою окиснення. Вона також може призвести до полімеризації, але водночас може сприяти утворенню органічних кислот у маслі. В результаті зростання кислотності та в'язкості і тому показник деградації олії пов'язують із зменшенням TBN (Total Base Number)3.
На кожні 10°C зростання температури подвоюється значення окислення і, розмірковуючи логічно, наполовину зменшується термін служби олії. Не так страшно як звучить, т.к. в олії додані присадки, які борються з впливом високої температури та утворенням кислоти. Питання, яке часто задають: «Яку максимальну температуру витримає ця олія?». На жаль, відповіді немає, т.к. термін служби олії залежить тільки від робочої температури, а й від часу теж. Отже, що нам потрібно знати, то це як гаряче і як довго? Моторна олія могла б «спокійно» відпрацювати при 150 ° C годину або близько того, але сильно деградувати при 100 ° C протягом тривалого проміжку часу.
ОСВІТА РОЗЧИНЕНИХ У ОЛІЇ КОКСУ ТА ОКСИДІВ
Також пов'язаний з окисленням процес утворення розчинених в олії коксу та оксидів. Висока робоча температура може спричинити утворення різних компонентів, які розчинені в маслі. Сажа утворюється, коли олію частково окислилося, також можуть утворюватися інші продукти деградації олії, які сприяють зростанню в'язкості олії. Цей ефект може бути досягнутий просто в результаті довгої експлуатації олії - навіть кращі олії не вічні.
ВТРАТИ НИЗКОКИПНИХ ФРАКЦІЙ
Висока робоча температура також може бути причиною термічної деградації масла і без присутності кисню. Як було зазначено, базове масло складається з різних, тісно взаємопов'язаних, компонентів. Ці компоненти мають різну випаровуваність (точку кипіння). Якщо масло піддається навантаженням тривалий період, вони вищі за норму, але немає впливу високої температури, тоді компоненти з нижчою точкою кипіння випаровуватимуться. Цей процес відомий як випаровування низькокиплячих фракцій. Ці компоненти, що більш випаровуються, також є частиною масла, що має нижчу в'язкість, таким чином, втрата цієї фракції веде до зростання в'язкості.
ЗАБРУДНЕННЯ
Забруднення також відіграють роль зростанні в'язкості. Вода може мати нижчу в'язкість, ніж масло, але коли вода і масло змішані, то можлива реакція з базовою олією і, що важливіше, з присадками. Можуть формуватися стабільні емульсії, які утворюють компоненти, що збільшують в'язкість масла. Вода є ще одним джерелом кисню, який може посилювати окислення за певних обставин. Реакція води з олією та її присадками відома як гідроліз. Невелика, але кількість води, що вимірюється, може розчинятися в маслі, потім утворюються емульсії і, нарешті, вільна вода видно в маслі. Величина води в кожній фазі залежить від базової олії, хімії присадок та температури олії.
Повітря може перебувати в олії у розчиненому та вільному вигляді. Він також може засмоктуватися в олію (еквівалент емульсії) та утворювати піну. Повітря діє як постачальник кисню і, якщо воно добре змішане з маслом, воно буде посилювати реакцію окислення, що загусне масло.
В ідеалі згоряння викопного палива, такого як дизельне паливо або бензин, призведе до утворення діоксиду вуглецю, водної пари і нічого крім цього. Але ми живемо у реальному світі, де паливо містить домішки, а процес згоряння не проходить зі 100% ефективністю. Неповне згоряння веде до частково окисленого палива, яке перетворюється на сажу, що накопичується в маслі. Ось чому дизельні моторні олії стають чорними після короткого періоду часу. Ще раз, олії розроблені з присадками, щоб працювати з певною кількістю сажі, але як тільки межа буде досягнута, поява будь-якої кількості сажі збільшуватиме в'язкість олії. Це явище відоме як шламоутворення, з яким багато хто з вас можливо знайомий.
Забруднення охолоджувачем не тільки причина проблем пов'язаних з присутністю води, якщо охолоджувач містить гліколь, це веде до надзвичайно шкідливого впливу на масло, і може стати причиною різкого загущення масла в дуже короткий термін.
Найпростіший спосіб збільшити в'язкість масла - це додати інше масло, що має більш високу в'язкість. Заливка звичайного SAE 10W з 20% SAE 50 збільшила б в'язкість на 35%. Нарешті, якщо ви хочете збільшити в'язкість вашої олії, просто забудьте її поміняти. Всі ефекти, перераховані тут, з часом тільки посилюються. Чим довше експлуатується олія, тим більше вона деградує і звичайний наслідок цього – збільшення в'язкості. Запам'ятайте, що присадки у вашому маслі приносяться в жертву. Одного разу вони роблять свою роботу і все. Вони не можуть бути відновлені - олія не може служити вічно.
НАСЛІДКИ ВИСОКОЇ В'ЯЗКОСТІ
То що за наслідки високої в'язкості? Висока в'язкість може створити в'язкісне гальмування. Воно створює більше тертя, яке, у свою чергу, створює теплоту, яка прискорюватиме процес окислення – в результаті порочне коло на противагу в'язкісному колу. Недостатнє підведення мастила до підшипників, кавітація, спінене масло в шийці валу, втрати енергії і потужності, низькі антипінні та деемульгуючі характеристики, затримка рідини в зливальній лінії і недостатня прокачування при холодному старті можуть бути результатом збільшеної в'язкості. Сказавши все це, треба згадати, що часто масло з занадто низькою в'язкістю, може завдати механізмів шкоди більше, то що може бути причиною зниження в'язкості?
Малов'язке гідравлічне масло
Рис. 6: Малов'язке гідравлічне масло.
ПРИЧИНИ ЗНИЖЕННЯ В'ЯЗКОСТІ
Причин зниження в'язкості масла менше, адже олія більш «розташоване» до зростання в'язкості, т.к. це природна фізична та хімічна вікова тенденція.
ТЕРМІЧНИЙ КРЕКІНГ
Деякі масла можуть бути схильні до феномену відомого як термічний крекінг і це окремий випадок для масел теплоносіїв. Термічний крекінг може бути представлений як протилежність полімеризації, хоча обидва ефекти є результатом тривалого впливу високої температури. Якщо полімеризація є склеювання один з одним ряду подібних органічних компонентів, результатом якого є новий компонент з більш високою в'язкістю (і точкою кипіння), то термічний крекінг є процес руйнування деяких компонентів більш дрібні частини. Ці частинки мають нижчу в'язкість і, що важливіше, нижчу точку кипіння, як результат нижча точка займання і вища випаровуваність. Точка займання масел – це мінімальна температура, при якій повітряно-олійна суміш пари підтримуватиме горіння, якщо буде підведено зовнішнє джерело вогню. Низька точка займання може мати важливе значення для безпеки та здоров'я.
Нестійкість до значних сил руху.
Раніше було зазначено, що індекс в'язкості олії може бути збільшений додаванням різних компонентів. На жаль, ці довгі органічні полімери, що розкручуються із зростанням температури, не дуже стійкі до сил зсуву. Це означає, що коли компоненти піддаються значним зрушуючим силам, таким як, наприклад, зустрічаються в автоматичних трансмісіях, вони починають руйнуватися і, як результат, втрачати в'язкість. Олії, які мають високий індекс в'язкості завдяки процесу очищення або завдяки їх синтетичній базі, не схильні до цього феномену.
ЗАБРУДНЕННЯ
В'язкість масла може також падати через забруднення, більшість джерел яких це розведення з паливом. Найсерйозніший ефект змішування з паливом, що трапляється з маслом, це зменшення в'язкості масла і в результаті втрата несучої здатності масла. Це означає, що масляна плівка занадто тонка, щоб не давати стикатися металевим поверхням, що рухаються, і яка-небудь поломка або заїдання неминучі. Очевидно, що серйозність поломки і час до неї залежатиме від таких речей як застосування, навколишнє середовище, навантаження, період зміни олії, технічне обслуговування та ін. 40 на 30% за 40°C і на 20% за 100°C.
Інший ефект менш очевидний і не такий серйозний це те, що паливо, на відміну від олії, не містить будь-яких присадок, так якщо у вас розчинено в маслі 10% палива, то маєте зниження концентрації пакета присадок на ту ж величину. Це стає серйозною проблемою, коли розчинення паливом справді велике.
ДОДАВАННЯ РОЗЧИНАЧІВ
В'язкість також може бути знижена додаванням розчинників, що використовуються як агенти, що промивають або миють. Розчинники можуть також потрапити у двигун разом із неякісним паливом. Холодильні компресори можуть бути забруднені охолоджуючим газом (холодоагентом), який знижує в'язкість, як знижуватиме будь-який інший технологічний газ, який почне розчинятися в мастилі в будь-якому іншому місці на виробництві.
ДОДАВАННЯ МЕНШЕ В'ЯЗКИХ МАСЕЛ
Нарешті, як у разі зростання в'язкості, в'язкість масла може бути знижена шляхом додавання менш в'язкого масла. Додавання 20% олії SAE 10W в олію SAE 50 знизить в'язкість величину близьку до 30%.
НАСЛІДКИ НИЗЬКОЇ В'ЯЗКОСТІ
То що за наслідки низької в'язкості? Надмірне зношування, через втрату несучої здатності масла, яка вже згадувалася у зв'язку з паливним розведенням. Втрати енергії та зростання сил тертя через контакт металу по металу. Зростання механічного тертя збільшує величину тепла і, таким чином, зростання ймовірності окислення. Одна з функцій мастильного матеріалу полягає в тому, щоб розділяти поверхні, що труться, бути як би прокладкою між ними; низька в'язкість цьому не сприяє, також можуть стати проблемою внутрішні та зовнішні витоки. Малов'язкі олії також чутливіші до забруднюючих частинок, т.к. змащувальна плівка занадто тонка. Нарешті, гідродинамічна плівка, в ідеалі, залежить від швидкості, в'язкості та навантаження, що додається. Це означає, що якщо низька в'язкість, то застосування високого навантаження в поєднанні з низькою швидкістю може призвести до розриву масляної плівки.
ВИМІРЮВАННЯ ПРИ 40°C І 100°C
Індустріальні стандарти диктують, що температура при якій повинна вимірюватися в'язкість 40°C і 100°C. Яка різниця у властивостях при цих температурах? Вимірювання при 40°C корисне для раннього визначення окислення, полімеризації та перегріву олії. При цій температурі також добре визначати забруднення, такі як паливо та хладогенти, які знижують в'язкість. Додавання олій різної в'язкості помітніше при низькій температурі. Має сенс робити вимірювання в'язкості за нормальної температури близької до робочої устаткування. Для обладнання, що працює при температурі близької до навколишньої, в'язкість повинна вимірюватися при 40°C. Очевидно, що працювати інструментами для вимірювання в'язкості, при температурі близькі до навколишнього, легше, особливо в полі або на виробництві.
Вимірювання при 100°C мають переваги щодо зниження індексу в'язкості і краще підходить для компонентів які працюють при високих температурах, таких як двигуни внутрішнього згоряння. Обидві температури можуть застосовуватися тоді, коли важливо визначити значення або зміну VI і де необхідно отримати багато показників. Зазвичай, всі зразки вимірюють в'язкість при 40°C, але для двигунів внутрішнього згоряння також необхідно вимірювати в'язкість при 100°C.
ПРОБЛЕМИ ЗВ'ЯЗАНІ З ЗМІНОЮ В'ЯЗКОСТІ
Просто заміна олії, тому що в'язкість надто велика або надто низька, не змусить проблему зникнути, потрібен активний пошук несправності.
Якщо в'язкість занадто велика, перевірте:
Робочу температуру;
ефективність згоряння;
наявність води чи гліколю;
наявність повітря в олії;
процедуру заливання олії.
Якщо в'язкість занадто низька, перевірте:
Справність системи живлення;
наявність значних сил зсуву;
наявність високої температури, що викликає термічний крекінг;
забруднення розчинником або розчиненим газом;
процедуру заливання олії.
Як було ясно показано, багато чого може піти не так з в'язкістю олії, з багатьох причин і всі вони сигналізують і є наслідком різних несправностей. Тримайте в'язкість масла в допустимих межах і як результат отримаєте добре працююче обладнання, усуньте раптові відмови, отримайте низьку вартість роботи обладнання та меншу витрату запасних частин, зменшіть простої та збільшіть прибуток. Переконайтеся, що в'язкість спостерігається регулярно, щоб будь-яка проблема могла бути усунена до того, як вона перетвориться на катастрофу.
1 - Society of Automotive Engineers(SAE) - Товариство Автомобільних Інженерів, США.
2 – International Standards Organisation (ISO) – Міжнародна Організація зі Стандартизації.
3 - Total Base Number (TBN) – загальне лужне число.
Скористайтеся зручним конвертером переведення кінематичної в'язкості в динамічну онлайн. Оскільки співвідношення кінематичної та динамічної в'язкості залежить від щільності, необхідно її також вказувати при розрахунку в калькуляторах нижче.
Щільність та в'язкість слід вказувати за однакової температури.
Якщо задати щільність при температурі відмінній від температури в'язкості спричинить деяку помилку, ступінь якої залежатиме від впливу температури на зміну щільності даної речовини.
Конвертер дозволяє перевести в'язкість із розмірністю у сантистоксах [сСт] у сантипуази [сП]. Зауважте, що чисельні значення величин з розмірностями [мм2/с] та [сСт]для кінематичної в'язкості та [сП] та [мПа*с]для динамічної – рівні між собою та не вимагають додаткового перекладу. Для інших розмірів – скористайтеся нижченаведеними таблицями.
