צמיגות

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
המחשה של צמיגות; הנוזל הלבן (למעלה) הוא בעל צמיגות נמוכה יותר מהנוזל הסגול (למטה)

צמיגות היא התנגדות הזורם לעיבור (שינוי צורה) תחת מאמץ גזירה. הצמיגות נתפסת לעתים קרובות כסמיכות, או התנגדות למזיגה. הצמיגות מתארת את התנגדותו הפנימית של הזורם לזרימה, וניתן לחשוב עליה כעל מידה של חיכוך. לדוגמה, מתנול הוא "דליל", כלומר בעל צמיגות נמוכה, ושמן או דבש הם "סמיכים" (או צמיגים) כי יש להם התנגדות גבוהה לשינוי צורה.

התאוריה של ניוטון[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר מפעילים מאמץ גזירה על גוף מוצק, הגוף מתעוות (מתעבר) עד שהעיבור מניב כח מנוגד, המאזן את מאמץ הגזירה המופעל, וכך מושג שיווי משקל. כאשר מופעל מאמץ גזירה על זורם, למשל כאשר רוח נושבת על פני הים, הזורם זורם, וממשיך לזרום כל עוד מופעל המאמץ. כאשר מפסיקים להפעיל את המאמץ, בדרך כלל שוככת הזרימה עקב דעיכה של אנרגיה – האנרגיה הקינטית הופכת לחום. ככל שהזורם צמיג יותר, כך גדולה יותר התנגדותו למאמץ הגזירה, וכך מהירה יותר דעיכת הזרימה.

בכל משטר זרימה, שכבות שונות נעות במהירויות שונות, ו"סמיכות" הזורם נובעת ממאמץ הגזירה שבין השכבות.

אייזק ניוטון טען שעבור זרימה אחידה, מקבילה וישרה, מאמץ הגזירה τ בין שכבות יחסי לגרדיאנט המהירויות בכיוון הניצב לשכבות. במילים אחרות - התנועה היחסית של השכבות.

\tau=\mu \frac{\partial u}{\partial y}.

הקבוע μ מכונה קבוע הצמיגות, צמיגות או צמיגות דינאמית. זורמים רבים, למשל מים וגזים, המתנהגים לפי הקריטריון של ניוטון, מכונים זורמים ניוטוניים. בזורמים לא ניוטוניים יש יחסים מורכבים יותר מאשר קשר לינארי בין מאמץ הגזירה וגרדיאנט המהירות.


מדידת צמיגות[עריכת קוד מקור | עריכה]

צמיגות נמדדת באמצעות סוגים שונים של ויסקומטרים, בדרך כלל בתנאים תקניים של 25 מעלות צלזיוס.


הבטים מולקולריים[עריכת קוד מקור | עריכה]

צמיגות של מערכת מוגדרת על ידי הדרך בה מולקולות במערכת מהדדות (יוצרות אינטראקציה). אין ביטויים פשוטים ומדויקים המתארים את צמיגות הזורם ברמה המולקולרית. הביטויים המדויקים הפשוטים ביותר הם יחסי גרין קובו לצמיגות גזירה לינארית או הביטויים של פונקציות הקורלציה בזמן טרנזיינטי שפותחו בידי אוונס ומוריס ב1985. השימוש בביטויים אלו מצריך שימוש בסימולצית דינמיקה מולקולרית.

גזים[עריכת קוד מקור | עריכה]

צמיגות בגזים נובעת בעיקר מדיפוזיה מולקולרית שמעבירה תנע בין שכבות של הזורם. התאוריה הקינטית של הגזים מנבאת טוב יותר את התנהגות הצמיגות הגזית, ובפרט:

נוזלים[עריכת קוד מקור | עריכה]

בנוזלים, הכוחות הנוספים בין המולקולות הופכים משמעותיים. הם גורמים לתרומה נוספת למאמץ הגזירה, אף כי המנגנון המדויק עדיין שנוי במחלוקת.

  • הצמיגות אינה תלויה בלחץ עבור לחצים לא גבוהים.
  • הצמיגות יורדת כאשר הטמפרטורה עולה.

הצמיגויות הדינאמיות של נוזלים גבוהות בכמה סדרי גודל מאלו של גזים, באופן טיפוסי.

קיימים נוזלים בעלי צמיגות כה גבוהה, שנראים מוצקים, אך בכל זאת מסוגלים לזרום, כמו זפת מסוג pitch. תכונה זו של הזפת נחקרת בניסוי המעבדה הפעיל הוותיק ביותר בעולם, ניסוי טיפת הזפת.


האם מוצקים יכולים להיות צמיגים?[עריכת קוד מקור | עריכה]

יש הטוענים כי למוצקים אמורפיים כמו זכוכית יש צמיגות, על סמך התפיסה שכל המוצקים זורמים, במידה מסוימת, תחת מאמץ גזירה. המצדדים בגישה זו טוענים כי ההפרדה בין מוצק ונוזל אינה ברורה, וכי מוצקים הם פשוט נוזלים עם צמיגות גבוהה - באופן טיפוסי גבוהה יותר מאשר 1012 Pa·s.

אחרים טוענים כי מוצקים הם בדרך כלל אלאסטיים עבור מאמצים קטנים, בעד שנוזלים אינם. אפילו אם מוצקים זורמים בלחצים גבוהים, הם מאופיינים על ידי התנהגותם בלחצים נמוכים. צמיגות עשויה לתאר מוצקים בתחום הפלסטי.

המצב נהיה מבלבל כאשר משתמשים במושג צמיגות עבור חומרים מוצקים, למשל מוצקי מקסוול, כדי לתאר את הקשר שבין המאמץ וקצב העיבור, במקום קצב הגזירה.

ניתן לפתור את רובן של הבחנות אלו באמצעות שימוש במשוואות הקונסטיטוטיביות של החומר, אשר מתחשבות בהתנהגות הצמיגה וגם בהתנהגות האלסטית שלו. חומרים שעבורם שתי התנהגויות אלו חשובות בתחום מסוים של עיבורים וקצבי עיבור נקראים ויסקואלסטיים.