مقياس اللزوجة العمودي للكرة المتساقطة

يمكن استخدام العديد من الطرق لقياس لزوجة السائل. تعتمد هذه الظواهر عادةً على واحدة من ثلاث ظواهر - سطح متحرك متصل بالسائل، وجسم يتحرك عبر السائل، وتدفق السائل عبر مكون مقاوم. تستخدم هذه الظواهر مقاييس اللزوجة الرئيسية الثلاثة في الصناعة، وهي مقاييس اللزوجة الكروية الدورانية والمتساقطة ومقاييس اللزوجة الشعرية. تُستخدم أجهزة قياس اللزوجة ذات الكرة المتساقطة بشكل شائع لقياس لزوجة السوائل والغازات النيوتونية. تطبق هذه الطريقة قوانين نيوتن للحركة في ظل توازن القوة عندما تصل الكرة المتساقطة إلى سرعتها النهائية. وفقًا لقوانين نيوتن لحركة الكرة المتساقطة، هناك الطفو والجاذبية والسحب، وتصل هذه القوى الثلاث إلى محصلة قوة تساوي الصفر. يمكن الحصول على قوة السحب من قانون ستوكس، والذي ينطبق على أرقام رينولدز الأقل من 1.

تعتبر أجهزة قياس اللزوجة ذات الكرة المتساقطة مناسبة تمامًا لقياس لزوجة السوائل، ويتم وصف الطريقة في المعايير الدولية. في المعيار الدولي G، تختلف الطريقة عن المبادئ الموضحة في المرجع. تصف هذه المعايير طريقة الأنبوب المائل حيث يميل أنبوب الكرة المسقطة بمقدار 10 درجات من الوضع الرأسي. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لنطاقات قياس اللزوجة الديناميكية المختلفة، يتم استخدام ست كرات بأقطار مختلفة، ويمكن اختيار الكرة المناسبة عندما لا يقل وقت سقوط الكرة عن الحد الأدنى لوقت السقوط المسجل أثناء الاختبار. توجد أحيانًا حركة التدحرج والانزلاق للكرة عبر سائل العينة في أنبوب قياس أسطواني مائل. وترتبط لزوجة العينة بالوقت الذي تستغرقه الكرة لتسقط مسافة معينة، وتعطى نتائج الاختبار باللزوجة الديناميكية.

على الرغم من أن طريقة الكرة المتساقطة راسخة وموصوفة في المعايير الدولية، إلا أن تشغيل هذا النوع من أجهزة قياس اللزوجة غير مريح إلى حد ما. على سبيل المثال، يتطلب مقياس اللزوجة ست كرات بأقطار مختلفة لقياس نطاقات اللزوجة المختلفة، ويجب على المستخدم إجراء اختبارات لاختيار الكرات المناسبة. علاوة على ذلك، من الصعب تحديد المكان الذي تصل فيه الكرة المتساقطة إلى سرعتها النهائية، أي ما إذا كانت المسافة بين خط تسجيل البداية وموضع السقوط الأولي كافية. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقياس اللزوجة الأنبوبي المائل يكون 10 درجات من الوضع العمودي؛ وبالتالي فإن الكرة التي تصطدم بالأرض لا تسقط فحسب، بل تتدحرج أيضًا. وتختلف هذه الظاهرة عن شروط اشتقاق طريقة سقوط الكرة. ولذلك فإن الهدف من هذه الدراسة هو تطوير طريقة جديدة تعتمد على طريقة الكرة المتساقطة التقليدية مع استخلاص المعادلات الديناميكية التي تصف سلوك الكرات المتساقطة في الأنابيب العمودية. وبما أن هذا النوع من أجهزة قياس اللزوجة عمودي على الأرض، فإنه يشار إليه هنا بمقياس اللزوجة ذو الكرة المتساقطة العمودية.