液体と気体の両方の流体は、種類によって粘度が異なります。粘度とは、流体を構成する分子間の摩擦力のことです。つまり、流体が流れる際に、流体を構成する分子同士が摩擦を起こすのです。液体の場合、粘度は凝集力(類似の分子間の引力)によって生じます。一方、気体の場合、粘度は分子間の衝突によって生じます。

液体は流れやすく、例えば水がそうです。逆に、粘度の高い液体は流れにくく、例えば潤滑油がそうです。傾斜面に水と潤滑油を注いでみると、水の方が油よりも速く流れることが分かります。液体の粘度は温度にも左右されます。液体の温度が高いほど、粘度は低くなります。例えば、母親が台所で魚を揚げるとき、最初は粘度が高い食用油は加熱するとより液体状になります。逆に、気体の場合、温度が高いほど粘度が高くなります。

粘性係数

粘度1記号ηは流体の粘度(イータ)を表します。ηは粘性係数です。したがって、液体の粘度は、その流体の粘性係数によって表されます。

2枚の板の間に薄い流体層が挟まれています。凝集力は同種の分子間に働く引力であり、付着力は異種の分子間に働く引力です。付着力は板と板に付着した流体層の間に働きます(流体分子と板分子が互いに引き合います)。一方、凝集力は液膜間に働きます(流体分子同士が引き合います)。

粘度2最初は、プレートと流体層は静止しています(図1)。その後、上のプレートが右に引っ張られます(図2)。下のプレートは引っ張られません(下のプレートは静止しています)。引っ張る力の大きさは、上のプレートが一定の速度(v一定)で右に移動するように調整されています。プレートの端とプレートに付着した流体部分との間に付着力が働くため、プレートの下の流体も右に移動します。流体分子間に凝集力が働くため、右に移動する流体は下の流体を引っ張ります。

上層にある流体が下層の流体を右方向に引っ張る。

一方、底部の流体は上部の流体を保持するため、流体の速度は変化します。上部の流体はより大きな速度 (v) で移動し、底部の流体はより小さな速度 v で移動するなど、下に行くほど v は小さくなります。言い換えれば、流体層の速度は、l まで上から下に向かって規則的に変化します。

流体層の速度変化 (v) を変化距離 (l) で割った値 = v / l。v/l は速度勾配として知られています。上側のプレートは、引力 (F) が働くため移動できます。特定の流体の場合、必要な引力の量は、プレートに付着した流体の面積 (A)、流体の速度 (v) に正比例し、距離 l に反比例します。数学的には、次のように表すことができます。

粘度3

前述の通り、一般的に粘度の低い流体は流れやすく、粘度の高い流体は流れにくい。粘度係数は流体の粘度を表す。流体が粘度が高いほど、必要な引張力も大きくなる。この場合、引張力は粘度係数に正比例する。数式で表すと次のようになる。

粘度4

η = 粘性係数、F = 力、l = 距離、A = 表面積、v = 速度、∝ = 比較

粘性係数の国際単位系(SI)は Ns/m 2 = Pa.s(パスカル秒)です。粘性係数の CGS 単位(センチメートルグラム秒)は dyn.s/cm 2 = ポアズ(P)です。粘性はセンチポアズ(cP)で表されることもよくあります。1 cP = 1/100 P。ポアズ単位は、フランスの科学者ジャン・ルイ・マリー・ポアズイユ(発音:プワズイユ)にちなんで使用されています。

1ポアズ = 1ダイナミクス・s/cm² = 10⁻¹ Ns / m²

粘度5

粘度6

粘度7

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