ความหนืด (viscosity) -  ความหนืดของของไหล เป็นปริมาณที่ใช้บอกว่าของไหลนั้น ไหลได้ยากมากน้อยแค่ไหน การศึกษาเรื่องความหนืด ทำได้โดย ทิ้งลูกกลมโลหะลงในของเหลวชนิดหนึ่ง พบว่า มีแรงกระทำกับลูกกลมโลหะอยู่ด้วยกันทั้ง 3 แรง คือ น้ำหนักของลูกกลมโลหะ (mg) แรงลอยตัวของของเหลว (FB) และ แรงหนืดของของเหลว (F)

ความหนืดและแรงหนืด (viscosity and viscous force) กฎของสโตกส์ (Stoke’s Law) “สำหรับของเหลวชนิดหนึ่ง ๆ แรงหนืดแปรผันตรงกับความเร็วของวัตถุ” F  v F = kv เมื่อ F คือ แรงหนืด (N) r คือ รัศมีของวัตถุทรงกลม (m) v คือ ความเร็วของวัตถุ (m/s)  คือ ความหนืด (N.s/m2) k = 6r สำหรับวัตถุทรงกลมตัน เมื่อ k เป็นค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของวัตถุที่เคลื่อนที่ในของเหลวหรือของไหล F = 6rv

ความหนืด (viscosity) คือ อัตราส่วนระหว่างความเค้นเฉือนต่ออัตราการเปลี่ยนความเครียดเฉือน มีหน่วยเป็น นิวตัน.วินาทีต่อตารางเมตร (N.s/m2) หรือ พาสคัล.วินาที (Pa.s) หรือ ปัวส์ (poise) โดยที่  = F/A v/l เมื่อ F คือ แรงหนืดหรือแรงเค้นเฉือน (N) A คือ พื้นที่ผิวสัมผัส (m2) v คือ ความเร็วของวัตถุ (m/s) l คือ ความกว้างของของเหลว (m)

ความหนืดของของเหลวขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักๆ คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล อุณหภูมิ

ของเหลวที่มีความหนืดสูงจะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าของเหลวที่มีความหนืดต่ำ เมื่อพิจารณาเกี่ยวกับแรงหนืดของของเหลวแล้ว สรุปได้ว่า แรงหนืดของของเหลวที่กระทำต่อวัตถุที่เคลื่อนที่ในของเหลว จะขึ้นอยู่กับ ขนาดความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยแปรผันตรงต่อกัน ของเหลวที่มีความหนืดสูงจะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าของเหลวที่มีความหนืดต่ำ แรงหนืดของของเหลวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยที่ อุณหภูมิต่ำแรงหนืดจะมาก และอุณหภูมิสูงแรงหนืดจะน้อย ในส่วนของแรงหนืดของอากาศนั้น พบว่า ถ้าอุณหภูมิต่ำแรงหนืดจะน้อย และอุณหภูมิสูงแรงหนืดจะมาก การบอกค่าความหนืดของน้ำมันหล่อลื่น จะบอกด้วยตัวเลข SAE โดยที่ถ้าตัวเลข SAE มาก ความหนืดหรือแรงหนืดจะมาก ตัวเลข SAE ต่ำ ความหนืดจะต่ำ

ของแข็ง เช่น แกรไฟต์ โมลิบดีนั่มไดซัลไฟด์ PTFE เป็นต้น และ สารหล่อลื่น คือ สารที่นำมาใช้ทำหน้าที่หลักคือการหล่อลื่น ลดแรงเสียดทาน ซึ่งอาจจะอยู่ได้ทั้ง 3 สถานะ ก๊าซ เช่น อากาศ ที่ใช้หล่อลื่นในระบบที่มีความเร็วรอบสูงมาก ๆ ที่ภาระต่าง ๆ, ของเหลว ที่รู้จักกันดีและใช้กันอย่างแพร่หลายก็คือ น้ำมันหล่อลื่น ซึ่งส่วนใหญ่จะมีพื้นฐานได้มาจากการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม, ของแข็ง เช่น แกรไฟต์ โมลิบดีนั่มไดซัลไฟด์ PTFE เป็นต้น และ ของกึ่งแข็งกึ่งเหลว ได้แก่ จาระบี ซึ่งถึงแม้จะมีอยู่หลายสถานะแต่ที่นิยมใช้กันอยู่จริง ๆ แล้วมีอยู่ 2 สถานะ คือ ของเหลว-น้ำมันหล่อลื่น และ กึ่งแข็งกึ่งเหลว-จาระบี

ทำไมต้องหล่อลื่น  ทำไมต้องหล่อลื่น... ก็เพราะทุกชิ้นส่วนที่มีการเคลื่อนไหวจะเกิดการเสียดทาน ขัดถูกันไม่มากก็น้อยจนเกิดการสึกหรอและความเสียหายได้ ไม่เพียงแต่ชิ้นส่วนเครื่องจักรเท่านั้นแม้แต่อวัยวะคนเราธรรมชาติก็สร้างให้มีการหล่อลื่น ยกตัวอย่างลิ้นหัวใจซึ่งมีการเปิดปิดอยู่ตลอดเวลาตลอดชั่วอายุไขหรือตามข้อกระดูกที่ต้องมีการขยับเคลื่อนไหว ทั้งนี้การหล่อลื่นเป็นเพียงการลดการเสียดทาน ลดการสูญเสียพลังงาน ลดการสึกหรอ เพื่อยืดอายุให้กับวัตถุนั้นให้มีการเสื่อมสภาพช้าลงเท่านั้น ไม่ได้หมายความว่าหากมีการหล่อลื่นแล้วจะทำให้ชิ้นส่วนหรือวัตถุนั้นไม่เสื่อมสภาพลงเลย

การเสื่อมสภาพอาจแบ่งได้ตามลักษณะของการชำรุด คือ 1. การเสื่อมสภาพตามกาลเวลา (Time Dependent Degradation)        คือ การเสื่อมสภาพตามระยะเวลาการใช้งาน ซึ่งมีผลให้ขนาดหรือความแข็งแรงของชิ้นส่วนมีค่าลดลงและสุดท้ายก็แตกหักเสียหายในที่สุด 2. การเสื่อมสภาพที่ไม่ขึ้นกับกาลเวลา (Time Independent Degradation)       การเสื่อมสภาพแบบนี้จะไม่เกี่ยวข้องกับระยะเวลาการใช้งาน เช่น การชำรุดแบบทันทีทันใด ซึ่งอาจเกิดจากการใช้งานผิดวิธี หรืออุบัติเหตุ โดยปรกติผู้ออกแบบจะออกแบบเผื่อค่าปัจจัยความปลอดภัย (Safety Factor) ไว้อยู่แล้ว

ตัวอย่าง ทิ้งลูกกลมโลหะลงในของเหลวชนิดหนึ่ง โดยที่ลูกกลมโลหะมีมวล 15 กรัม รัศมีเท่ากับ 2 มิลลิเมตร ถ้าความหนาแน่นของของเหลวมีค่า 2 x 103 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร จงคำนวณหาแรงหนืดสูงสุดของของเหลว วิธีทำ จาก FB + Fvis = mg ……..1 จากหลักของอาร์คีมิดีส กล่าวว่า แรงลอยตัวมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับลูกกลมโลหะ ที่ r เป็นรัศมีของลูกกลมโลหะ และ ρ เป็นความหนาแน่นของของเหลว (นักเรียนดูสมการที่ 14 ในเอกสารที่แจกให้) ……..2

ทรงกลม (sphere) คือ ทรงสามมิติที่มีผิวโค้งเรียบและจุดทุกจุดบนผิวโค้งอยู่ห่างจากจุดคงที่จุดหนึ่งเป็นระยะทางเท่ากัน พื้นที่ผิวทรงกลม = 4r2 ปริมาตรทรงกลม = (4/3)r3 ทรงกระบอก (Cylinder) คือ ทรงสามมิติใด ๆ ที่มีฐานเป็นรูปวงกลมที่เท่ากันทุกประการกับหน้าตัด และอยู่ในระนาบที่ขนานกัน เมื่อตัดทรงสามมิตินี้ด้วยระนาบที่ขนานกับฐานแล้ว จะได้รอยตัดเป็นวงกลมที่เท่ากันทุกประการกับฐานเสมอ พื้นที่ผิวข้าง = 2r x h เมื่อ h คือ สูงตรง r คือ รัศมีปากกระบอก พื้นที่ผิวทั้งหมด = พื้นที่ผิวข้าง + พื้นที่ฐานทั้งสองของทรงกระบอก ปริมาตร = r2 x h

นำ สมการที่ 2 แทนใน 1 จะได้