مفاهیم کلیدی: فیزیک، اصطکاک، جامدات، مایعات
مشاهده علمی ۱۷۱
مقدمه:
آیا تا به حال در یک صبح سرد زمستانی سعی کرده‌اید مقداری عسل یا شیره‌ی مربا از بطری بردارید تا با صبحانه‌تان بخورید؟ آیا به این نکته دقت کرده‌اید که انجام این کار در یک روز گرم تابستانی آسان‌تر است؟ با سرد شدن مایع ویسکوزیته یا مقاومت آن در برابر جریان افزایش می‌یابد. ویسکوزیته خاصیتی از مایع است که می‌تواند در کاربردهای مختلف بسیار مهم باشد، از جمله نحوه‌ی جریان یافتن شیره‌ی مربا در بطری، جریان خون در بدن انسان و یا نحوه‌ی خروج گدازه‌ها از یک آتشفشان. در این فعالیت علمی شما مطالبی در مورد ویسکوزیته خواهید آموخت.
پیش‌زمینه:
شما اصطکاک را همواره در دنیای اطراف خود تجربه می‌کنید. اصطکاک باعث می‌شود کفش‌های شما به کف زمین گیر کنند تا زمین نخورید. اصطکاک باعث ایستادن دوچرخه پس از گرفتن ترمز می‌شود. این نوع از اصطکاک نیرویی مقاوم در برابر حرکت میان دو جسم جامد است. مایعات نیز دارای اصطکاک هستند، نه تنها در مقابل مواد جامد (مثلاً آب در برابر لیوان) بلکه اصطکاک داخلی در مقابل خود مایع. این اصطکاک داخلی ویسکوزیته نام دارد. مایعات مختلف ویسکوزیته‌ی خاص خود را دارند، به این معنا که برخی مایعات آسان‌تر از برخی دیگر جریان پیدا می‌کنند. برای درک بهتر یک تفنگ آب‌پاش را تصور کنید که با آن آب را به اطراف شلیک می‌کنید. اگر به جای آب داخل تفنگ عسل یا شیره‌ی مربای سرد باشد چه اتفاقی می‌افتد؟
دانشمندان روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری ویسکوزیته‌ی مایعات دارند. یکی از این روش‌ها ویسکومتری سقوطی (falling sphere viscometer) است که در آن یک کره (مثلاً تیله) را در لوله‌ای پر از مایع مد نظر می‌اندازید. با اندازه‌گیری مدت زمانی که طول می‌کشد تا تیله پایین برود و مسافتی که پایین می‌رود می‌توان ویسکوزیته‌ی مایع را محاسبه کرد. شما در این فعالیت علمی محاسبات ریاضی انجام نخواهید داد اما نحوه‌ی حرکت تیله در مایعات مختلف را با هم مقایسه می‌کنید. آیا ویسکوزیته بر سرعت پایین آمدن تیله در لوله تأثیرگذار است؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.
این مساله در مورد آب با درجه گرماهای متفاوت نیز درست است.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حدود ده عدد تیله‌ی هم اندازه
حداقل دو لیوان شیشه‌ای شفاف بلند هم اندازه (هر چه این لیوان‌ها بلندتر باشند بهتر است.)
مایعات موجود در آشپزخانه که اجازه‌ی استفاده از آنها را داشته باشید، مانند آب، شیره‌ی مربا، عسل، روغن زیتون، روغن گیاهی و ...
صافی
یک سطح صاف که ریختن مایعات (آب، روغن و ...) روی آن اشکالی نداشته باشد. همچنین می‌توانید روی سطح کار خود چیزی پهن کنید تا کثیف نشود.
چند کاسه یا ظرف اضافی و یک قیف (برای نگه داشتن و استفاده‌ی مجدد از مایعاتی که در آزمایش استفاده می‌کنید، در صورتی که نمی‌خواهید آنها را دور بریزید.) (اختیاری)
داوطلب برای کمک در بررسی نحوه‌ی حرکت تیله‌ها در مایعات مختلف (اختیاری)
آماده‌سازی:
اگر می‌خواهید مایعات مورد استفاده در این آزمایش را برای مصارف بعدی نگه دارید. حتماً تیله‌ها و لیوان‌ها را قبل از شروع کار با آب و صابون خوب بشویید و آنها را به طور کامل خشک کنید. بدین ترتیب مایعات مورد استفاده آلوده نمی‌شوند.
یک سطح کار صاف آماده کنید که ریختن قطرات مایع (مانند آب، روغن و ...) روی آن اشکال نداشته باشد.
روش کار:
هر کدام از دو لیوان شیشه‌ای (یا تعداد بیشتر در صورت تمایل) را با یکی از مایعات مختلفی که آماده کرده‌اید پر کنید، ارتفاع این مایعات در لیوان‌ها باید یکسان باشد. (برای جلوگیری از ریختن مایع هنگام انداختن تیله در لیوان‌ها بهتر است کمی از سر لیوان‌ها را خالی بگذارید.)
به نظرتان کدام مایع ویسکوزیته‌ی بیشتری دارد؟ آیا در هنگام ریختن آنها در لیوان‌ها می‌توانید این مسئله را تشخیص دهید؟ به نظرتان سرعت حرکت تیله در این مایعات متفاوت خواهید بود؟
یک تیله در هر دستتان بگیرید و دستانتان را بالای لیوان‌ها درست در بالای سطح مایع نگه دارید.
لیوان‌ها را با دقت نگاه کنید. آماده‌ی این باشید که ببینید کدام تیله زودتر به انتهای لیوان می‌رسد. اگر داوطلبی برای کمک دارید از او نیز بخواهید با دقت لیوان‌ها را بررسی کند.
تیله‌ها را درست در یک زمان رها کنید.
کدام تیله زودتر به انتهای لیوان برخورد می‌کند؟
کدام تیله برنده‌ی این مسابقه‌ی سرعت است؟ آیا نتایج با چیزی که پیش‌بینی می‌کردید یکسان است؟
همین مراحل را با چند تیله‌ی دیگر انجام دهید تا از صحت نتایج خود مطمئن شوید. (هر بار از تیله‌های تمیز و خشک استفاده کنید.)
اگر بیشتر از دو مایع برای آزمایش دارید، نحوه‌ی سقوط تیله در آنها را نیز بررسی کنید.
تیله‌ها در کدام مایع سریع‌تر به کف لیوان می‌رسند؟ در کدام لیوان حرکت تیله‌ها آهسته‌تر از بقیه است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
به نظرتان اگر در این فعالیت علمی از تیله‌هایی با جنس‌های مختلف (برای مثال فلزی و شیشه‌ای) و یا اندازه‌های متفاوت استفاده کنید نتایج چه تغییری می‌کند؟
اگر دمای مایع را تغییر دهید چه اتفاقی می‌افتد؟ از یک بزرگتر بخواهید مقداری شیره‌ی مربا را در یخچال قرار دهد تا سرد شود و مقداری را روی شعله‌ی گاز یا داخل مایکروویو گرم کند. اگر این آزمایش را روی این دو مایع با دمای متفاوت انجام دهید چه اتفاقی می‌افتد؟ دما چه تأثیری بر ویسکوزیته‌ی مایع دارد؟ آیا تأثیر دما بر ویسکوزیته در برخی مایعات بیشتر از بقیه است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در هنگام ریختن مایعات داخل لیوان‌ها احتمالاً متوجه شده‌اید که برخی از آنها سخت‌تر حرکت می‌کنند. این مایعات دارای ویسکوزیته‌ی بیشتری هستند. همچنین می‌توانید در مورد این مایعات در مصارف روزمره فکر کنید. به عنوان مثال، اگر روی پنکیک آب بریزید چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا آب نیز مانند شیره‌ی مربا به آرامی روی سطح پنکیک پخش می‌شود یا به سرعت حرکت می‌کند؟ اگر بخواهید یک لیوان شیره‌ی مربا بنوشید چه رخ می‌دهد؟ صرف نظر از مزه‌ی آن و درست نبودن این کار، آیا نوشیدن یک لیوان شیره‌ی مربا مانند نوشیدن یک لیوان آب است؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که تیله‌ها در مایعات با ویسکوزیته‌ی بیشتر (مانند شیره‌ی مربا) بسیار آهسته‌تر از مایعات با ویسکوزیته‌ی کم (مانند آب) به سمت پایین حرکت می‌کنند. دلیل آن است که مایعات با ویسکوزیته‌ی بالاتر مقاومت بیشتری در برابر جریان دارند، به همین دلیل حرکت تیله از میان آنها بسیار دشوار است. با این وجود ممکن است تشخیص تفاوت میان ویسکوزیته‌ی برخی مایعات دشوار باشد، به خصوص اگر ارتفاع لیوان‌ها خیلی زیاد نباشد. به همین دلیل لازم است چندین بار حرکت تیله در مایع را بررسی کنید و در صورت امکان از یک همراه بخواهید تا در این کار به شما کمک کند.
تمیز کردن:
اگر قصد نگه داشتن مایعات برای مصارف بعدی را دارید، با کمک یک بزرگتر آنها را در ظرف‌های اصلی خود بریزید. (برای این کار با صافی تیله‌ها را از مایع جدا کنید.) چنانچه قصد نگه داشتن مایعات را ندارید، با کمک یک بزرگتر آنها را دور بریزید. دقت داشته باشید که ریختن برخی مایعات ویسکوز مانند روغن در سینک می‌تواند سبب گرفتگی لوله‌ها شود.
منبع:
Marble race-in Liquid!
منابع مفید:
یک آزمایش روغنی
اثر هماتوکریت بر ویسکوزیته خون
بررسی اصطکاک با انداختن اشیا روی سطح
رانش زمین
کوسه و فناوری قرن بیست و یک
آب و روغن
تمیز کردن روعن
گرانروی-ویکی‍دیا
اصطکاک-ویکی‍دیا
ویسکومتر-ویکی‍دیا
It is OoBleck!