ما هي اللزوجة؟

لزوجة السائل هي مقياس لمقاومته للتدفق، وتصف الاحتكاك الداخلي للسائل المتحرك. تقاوم السوائل اللزجة الحركة لأن تركيبها الجزيئي يُولّد احتكاكًا داخليًا كبيرًا. أما السوائل ذات اللزوجة المنخفضة فتتدفق بسهولة لأن تركيبها الجزيئي يُولّد احتكاكًا ضئيلًا أثناء حركتها.

على المستوى الجزيئي، تنشأ اللزوجة من التفاعلات بين الجزيئات المختلفة في السائل. ويمكن اعتبار ذلك احتكاكًا بين الجزيئات. وكما هو الحال في الاحتكاك بين الأجسام الصلبة المتحركة، تحدد اللزوجة الطاقة اللازمة لجعل السائل يتدفق.

أفضل طريقة لتوضيح ذلك هي من خلال مثال. تخيل كوبًا مصنوعًا من الستايروفوم به ثقب في الأسفل. ألاحظ أن الكوب يُفرغ ببطء شديد عند سكب العسل فيه. هذا لأن لزوجة العسل عالية نسبيًا مقارنةً بالسوائل الأخرى. فعندما نملأ الكوب نفسه بالماء، على سبيل المثال، يُفرغ الماء بسرعة أكبر. يُقال إن السائل ذو اللزوجة المنخفضة "خفيف"، بينما يُقال إن السائل ذو اللزوجة العالية "كثيف". من الأسهل التحرك عبر سائل منخفض اللزوجة (مثل الماء) من سائل عالي اللزوجة (مثل العسل).

---

العوامل المؤثرة على اللزوجة

تتأثر اللزوجة بعوامل عديدة، منها درجة الحرارة والضغط وإضافة جزيئات أخرى. للضغط تأثير طفيف على السوائل، وغالبًا ما يُتجاهل. أما إضافة الجزيئات فقد يكون لها تأثير كبير، فالسكر، على سبيل المثال، يزيد من لزوجة الماء.

مع ذلك، تُعدّ درجة الحرارة العامل الأكثر تأثيرًا على اللزوجة. فارتفاع درجة حرارة السوائل يُقلّل من لزوجتها، إذ يُزوّد ​​الجزيئات بطاقة كافية للتغلب على قوى التجاذب بينها. أما في الغازات، فيكون تأثير درجة الحرارة على اللزوجة معاكسًا؛ فكلما ارتفعت درجة حرارة الغاز، زادت لزوجته. ولا تتأثر لزوجة الغاز بشكل ملحوظ بقوى التجاذب بين الجزيئات، بل بارتفاع درجة الحرارة، الذي يُؤدي إلى زيادة تصادم الجزيئات.

---

اللزوجة الديناميكية والحركية

هناك طريقتان للإبلاغ عن اللزوجة. المطلقة أو اللزوجة الديناميكية هو مقياس لمقاومة السائل للتدفق بينما اللزوجة الحركية اللزوجة الحركية هي نسبة اللزوجة الديناميكية إلى كثافة السائل. ورغم بساطة هذه العلاقة، من المهم تذكر أن سائلين لهما نفس قيمة اللزوجة الديناميكية قد يكون لهما كثافات مختلفة، وبالتالي قيم لزوجة حركية مختلفة. وبالطبع، تختلف وحدات قياس اللزوجة الديناميكية عن وحدات قياس اللزوجة الحركية.

---

وحدات اللزوجة

وحدة قياس اللزوجة في النظام الدولي للوحدات هي نيوتن-ثانية لكل متر مربع (N·s/m²). مع ذلك، ستجد غالبًا تعبيرًا عن اللزوجة بوحدات أخرى مثل باسكال-ثانية (Pa·s)، أو كيلوغرام لكل متر في الثانية (kg·m⁻¹·s⁻¹)، أو بويز (P أو g·cm⁻¹·s⁻¹ = 0.1 Pa·s)، أو سنتيبويز (cP). وبناءً على ذلك، فإن لزوجة الماء عند 20 درجة مئوية تُقارب 1 سنتيبويز أو 1 ملي باسكال-ثانية.

في الهندسة الأمريكية والبريطانية، تُستخدم وحدة قياس شائعة أخرى هي رطل-ثانية لكل قدم مربع (lb·s/ft2). وهناك وحدة بديلة ومكافئة هي رطل-قوة-ثانية لكل قدم مربع (lbf·s/ft2).

 

وحدات اللزوجة الديناميكية

الاتزان (الرمز: P)

البويز (رمزه: P) سُميت نسبةً إلى الطبيب الفرنسي جان لويس ماري بويزوي (1799-1869)، وهي وحدة قياس اللزوجة في نظام الوحدات السنتيغرامية-الغرامية-الثانية، وتُعادل داين-ثانية لكل سنتيمتر مربع. وهي لزوجة سائل يُحافظ فيه فرق سرعة مقداره داين واحد لكل سنتيمتر مربع على فرق سرعة مقداره سنتيمتر واحد في الثانية بين مستويين متوازيين يفصل بينهما سنتيمتر واحد. حتى عند الحديث عن السوائل عالية اللزوجة، تُستخدم هذه الوحدة عادةً بصيغة السنتيبويز (cP)، والتي تُعادل 0.01 بويز. تتراوح لزوجة العديد من السوائل اليومية بين 0.5 و1000 سنتيبويز.

باسكال ثانية (الرمز: Pa·s)

هذه هي وحدة اللزوجة في النظام الدولي للوحدات، وتعادل نيوتن-ثانية لكل متر مربع (نيوتن·ثانية/متر مربع). ويُشار إليها أحيانًا باسم "بوازوي" (Pl). البواز الواحد يساوي 0.1 باسكال·ثانية بالضبط. البوازوي الواحد يساوي 10 بواز أو 1000 سنتي بواز، بينما السنتي بواز الواحد يساوي 1 ملي باسكال·ثانية (ملي باسكال·ثانية).

 

وحدات اللزوجة الحركية

ستوكس (الرمز: St)

هذه هي وحدة نظام السنتيغرام-غرام-ثانية (cgs)، وهي تعادل سنتيمترًا مربعًا في الثانية. يساوي ستوكس واحد اللزوجة بالبويز مقسومة على كثافة السائل بالغرام لكل سنتيمتر مكعب. ويُستخدم عادةً كوحدة سنتستوكس (cSt) (= 0.01 ستوكس).

سايبولت سيكوندز يونيفرسال

هذا هو الوقت اللازم لتدفق 60 مل من السائل عبر الفتحة المعايرة لمقياس لزوجة Saybolt Universal عند درجة حرارة محددة للزوجة الحركية، كما هو منصوص عليه في طريقة الاختبار ASTM D 88. بالنسبة للزوجات الأعلى، يتم استخدام SSF (Saybolt Seconds Furol).

---

صيغة اللزوجة

نسبة القوة الخارجية (F) إلى المنطقة المصابة (Aيُعرَّف ) بأنه قلق (σ):

σ = F/A

استخدم إجهاد القص (γيُعرَّف ) بأنه التغير النسبي في طول المادة نتيجة للقوة الخارجية:

γ = l/l₀

نسبة إجهاد القص (σ) وإجهاد القص (γيُعرَّف ) بأنه معام (G):

G = σ/ γ

إذا كانت الصفيحة العلوية في الشكل 1 تتحرك بسرعة معينة (v)، تدرج السرعة dv/dx يتم تعريفه على أنه معدل القص (γ̇). اكتشف السير إسحاق نيوتن، الذي صاغ قوانين الحركة والجاذبية الكونية، أنه في السوائل المثالية (المعروفة باسم السوائل النيوتونية)، يكون إجهاد القص (σ) يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمعدل القص (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

---

الموائع النيوتونية وغير النيوتونية

 

تتميز الموائع النيوتونية، كما تُسمى، بلزوجة ثابتة. ومع زيادة القوة، تزداد المقاومة، ولكن هذه الزيادة متناسبة. فمهما بلغت القوة المطبقة على المائع النيوتوني، فإنه يظل يتصرف كسائل. السائل النيوتوني هو سائل يخضع لقانون نيوتن للاحتكاك، حيث تكون اللزوجة مستقلة عن معدل الإجهاد.

تبقى اللزوجة ثابتة بغض النظر عن تغيرات معدل القص أو التحريك. ومع زيادة سرعة المضخة، يزداد التدفق بشكل متناسب. تشمل السوائل التي تُظهر سلوكًا نيوتونيًا الماء والزيوت المعدنية والشراب والهيدروكربونات والراتنجات.

 

السوائل غير النيوتونية

 

A سائل غير نيوتوني هو نظام لا يخضع لقانون نيوتن للاحتكاك. معظم أنظمة الموائع ليست نيوتونية (وتُعرف باسم السوائل غير النيوتونية) ولزوجتها ليست ثابتة، بل تتغير كدالة لزيادة أو تقليل معدل القص المطبق.

تُظهر العديد من السوائل انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص. تُسمى هذه السوائل بالسوائل السوائل اللدنة الكاذبةتتفكك "بنية" السائل في هذه الأنظمة بسبب القوة الخارجية، مما يؤدي إلى ترقق القص السلوك. إذا كان الترابط الأولي بين الجسيمات (أو الجزيئات) قويًا، فقد يتصرف النظام كجسم صلب ساكن. يُعرَّف إجهاد القص الأولي اللازم للتغلب على القوى الداخلية وتفكيك البنية بأنه قيمة العائد من النظام. تُعرَّف المواد التي تُظهر قيمة خضوع ثم تُظهر ترققًا قصيًا مع زيادة معدل القص على أنها السوائل البلاستيكيةتُظهر بعض السوائل زيادة في اللزوجة مع زيادة معدل القص، وهي ظاهرة تُعرف باسم زيادة سمك القصتُعرَّف هذه المواد على النحو التالي: سوائل توسيع الأوعية.

---

سلوك التدفق مع مرور الوقت: الثيكسوتروبية

يعيد السائل المعقد ترتيب نفسه بمرور الوقت عند زوال القوة الخارجية. لذا، لا ينبغي قياس اللزوجة فقط بزيادة معدل القص مع تفكك البنية، بل أيضاً بانخفاض معدل القص مع إعادة النظام إلى حالته الأصلية. تُعرف هذه الظاهرة بالتخلف.

في حالة التعافي السريع، يتطابق منحنى اللزوجة مقابل معدل القص المتناقص مع منحنى اللزوجة مقابل معدل القص المتزايد. أما إذا استغرق السائل وقتًا لاستعادة بنيته، فسيكون منحنى الانخفاض أسفل منحنى الارتفاع. متغيرة الانسيابية يُعرَّف بأنه يُظهر ترققًا قصيًا مع زيادة معدل القص وتعافيًا أبطأ مع انخفاض معدل القص. غير ثيكسوتروبي تتداخل منحنيات "الصعود" و"الهبوط" في المواد، وفي ريوبكتيك المواد، منحنى "الانخفاض" أعلى من منحنى "الارتفاع".

على الرغم من الخلط أحيانًا بين السوائل الانسيابية والسوائل شبه البلاستيكية، وبين السوائل الريوبكتية والسوائل المتمددة، إلا أن هذين النوعين من السوائل يختلفان في جانب جوهري واحد: الاعتماد على الزمن. فتغير اللزوجة بالنسبة للإجهاد في السوائل المتمددة وشبه البلاستيكية لا يعتمد على الزمن. أما في السوائل الانسيابية، فتقل اللزوجة مع زيادة الإجهاد كلما طالت مدة تطبيقه. وينطبق الأمر نفسه على السوائل الريوبكتية، إذ تزداد اللزوجة مع زيادة الإجهاد كلما طالت مدة تطبيقه.

نستخدم في حياتنا اليومية العديد من المنتجات التي تُظهر خاصية الانسيابية. تُفسر هذه الخاصية تحوّل منتجات العناية الشخصية، مثل جل الشعر ومعجون الأسنان، من الحالة السائلة إلى الصلبة عند الضغط عليها، ثم عودتها إلى حالتها الصلبة للحفاظ على شكلها. وتُحدد الخصائص الريولوجية للتفكك البنيوي وإعادة التكوين مع مرور الوقت جودة المنتج.

 

---

أهمية اللزوجة في الحياة اليومية

في العديد من المجالات المختلفة، يمكن أن تكون اللزوجة مفيدة للغاية، على الرغم من أنها تبدو ذات أهمية ثانوية في الحياة اليومية. على سبيل المثال:

• التشحيم في المركبات.عند إضافة الزيت إلى سيارتك أو شاحنتك، يجب مراعاة لزوجته. ذلك لأن اللزوجة تؤثر على الاحتكاك، الذي بدوره يؤثر على الحرارة. كما تؤثر اللزوجة على معدل استهلاك الزيت وسهولة تشغيل السيارة في الظروف الحارة والباردة. بعض الزيوت تبقى لزوجتها ثابتة عند تسخينها أو تبريدها، بينما تصبح زيوت أخرى أقل لزوجة عند التسخين، مما قد يسبب مشاكل أثناء قيادة السيارة في يوم صيفي حار.
• تلعب اللزوجة دورًا هامًا في تحضير وتقديم الطعام. تزداد لزوجة العديد من زيوت الطهي بشكل ملحوظ عند تبريدها، بينما قد لا تتغير لزوجة أنواع أخرى على الإطلاق. وبما أن الدهون تكون لزجة عند تسخينها، فإنها تصبح صلبة عند تبريدها. كما أن لزوجة الصلصات والحساء واليخنات مهمة في مختلف المطابخ. فعند تخفيفها، يتحول حساء البطاطس والكراث الكثيف إلى حساء فيشيسواز الفرنسي. والعسل، على سبيل المثال، لزج جدًا ويمكن أن يغير ملمس بعض الأطعمة.
• يجب تزييت المعدات في المصانع بشكل صحيح لضمان تشغيلها بسلاسة. قد تتسبب مواد التشحيم اللزجة في انسداد الأنابيب. أما مواد التشحيم الرقيقة فلا توفر الحماية الكافية للأجزاء المتحركة.
• عند حقن السوائل وريدياً، قد تكون اللزوجة عاملاً حاسماً. ومن أهم المخاوف لزوجة الدم: فالدم شديد اللزوجة قد يُكوّن جلطات داخلية، بينما الدم شديد السيولة لا يتخثر، مما يُسبب نزيفاً خطيراً وقد يؤدي إلى الوفاة.

---

بعض أنواع اللزوجة النموذجية