ความหนืด (viscosity) - 

งานนำเสนอเรื่อง: "ความหนืด (viscosity) - "— ใบสำเนางานนำเสนอ:

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

2

3 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

4 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)

5 ความหนืดของของเหลวขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักๆ คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล
อุณหภูมิ

6

7 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

8

9 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

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

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

12 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

13 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

14 นำ สมการที่ 2 แทนใน 1 จะได้