Метод падающего шарика. Метод продольно смещающегося цилиндра. Метод сдувания тонкого слоя. Другие методы вискозиметрии

Измерение вязкости методом падающего шарика основано на законе Стокса, связывающем скорость падения шарика в жидкости с ее вязкостью . Условия применимости этого закона изложены выше (стр. 56). Эти же условия по возможности должны соблюдаться и при измерении вязкости.

Метод прост и сводится к измерению времени равномерного падения шарика в вертикальной прозрачной трубке, наполненной испытуемой жидкостью. Во время измерения жидкость и шарик термостатируются, для чего прибор помещается во вторую, более широкую трубку, в которой поддерживается постоянная температура.

Шарики изготовляются из различных материалов, но наиболее подходящими являются стальные. Шарикоподшипниковая промышленность изготовляет их с высоким классом точности. Неправильные или негладкие шарики непригодны.

В табл. 8 приведены максимальные диаметры стальных шариков которые могут применяться для измерения вязкости методом падающего шарика. Они вычислены, исходя из того, что время измерения должно быть не меньше 40 сек., а скорость падения шарика в жидкости равна 1 см/сек.

Такие подсчеты показали, что с помощью падающего стального шарика нельзя исследовать жидкости с вязкостью, меньшей 5—6 пуаз, так как трудно регистрировать движение шариков меньше 1 мм.

Диаметр трубки, в которой проводится вискозиметрирование, должен $ыть по крайней мере в 10 раз больше диаметра шарика. В противном случае необходимо вводить поправку Ладенбурга на действие стенок (стр. 57). Некоторые авторы рекомендуют ширину трубки, равную 15 и даже 20 диаметрам шарика.

Длину трубки подбирают с таким расчетом, чтобы измерять время падения на средней ее части, на отрезке, равном 78—7а длины. Отдельные исследователи установили, что при работе с вязкими жидкостями (iy > 50—100 пуаз) и достаточно длинными трубками (~ 50 см) измерение падения по всей их длине практически не дает сколько-нибудь существенной ошибки . Однако начальный отчет целесообразно производить через такой отрезок пути шарика, когда скорость его падения становится постоянной (через 3— 5 см от начала пути шарика).

Падение шарика в непрозрачных жидкостях может наблюдаться с помощью просвечивания рентгеновскими лучами или с помощью электрических контактов, которые замыкаются шариком при падении.

М. Уманский и О. Н. Симакова и Г. Н. Худяков пользовались более простым способом. Испытуемая жидкость наливалась на слой прозрачной, не смешивающейся с ней жидкости, служившей для наблюдения за прохождением шарика через непрозрачный слой. Этот прием, однако, не всегда возможен.

При исследовании нефтепродуктов для технических целей лучше пользоваться прибором с падающим шариком в качестве вторичного вискозиметра. Калибрование по эталонным жидкостям позволяет не учитывать ряда поправок к формуле Стокса.

Описанный метод применялся для определения вязкости смол и мазутов. Кристоф-Цакалов (65) измерял вязкость смазочных масел и других жидкостей в пределах 80—25 000 пуаз. С. А. Гликман с сотрудниками пользовались этим методом для изучения аномальной вязкости в тиксотропии дисперсных систем.

М. М. Кусаков и А. Н. Кислинский применили метод падающего шарика для снятия кривой зависимости вязкости смазочных масел от температуры.

Для этой цели в цилиндре с исследуемым маслом создавался постоянный градиент температуры путем охлаждения дна. Падение шарика (или капель жидкости) в таких условиях замедленное. Определив с помощью небольшой термопары распределение температуры и измерив скорость падения шарика вдоль оси цилиндра, в результате одного опыта можно получить искомую кривую. Авторами сконструирован удобный прибор — криовискозиметр, с помощью которого может изучаться вязкость смазочных масел при низких температурах. Метод позволяет в результате одного опыта сразу получить кривую, выражающую зависимость вязкости от температуры.

Вискозиметры с продольно смещающимися цилиндрами применимы только для очень вязких веществ.

Представление о приборах этого типа может дать вискозиметр М П. Воларовича , изображенный на фиг. 46.

Цилиндр 7 грузами 21 и 2 опускается или извлекается из исследуемого вещества, находящегося в цилиндре 3. Зажим 4 служит для направления движения цилиндра 7. Скорость сдвига цилиндра отсчитывается с помощью микроскопа на шкале 5. Груз подбирается таким образом, чтобы скорость сдвига была мала, в противном случае необходимо вводить сложную поправку на глубину погружения цилиндра.

В приборе аналогичного типа, построенном Д. М. Толстым , на цилиндре были нанесены поперечные насечки для предотвращения скольжения по испытуемому материалу.

С помощью описанного метода М. П. Воларович измерил вязкость печатных красок в интервале 3 • 10 — 1 • 10 пуаз. Тракслер и Швейер пользовались методом продольно смещающегося цилиндра для измерения вязкости битумов в интервале 1 • 103 — 1 • 10е пуаз. Однако приборы с продольно смещающимися цилиндрами или другими телами применяются главным обр а-зом для определения предельного напряжения сдвига и реологических характеристик ниже предела текучести, вследствие чего они подробнее описаны ниже.

В последнее время Б. В. Дерягин и М. М. Кусаков разработали принципиально новый метод вискозиметрии, основанный на определении профиля тонкого слоя жидкости при сдувании ее с поверхности твердого тела. Метод сдувания тонкого слоя является абсолютным. Основное его преимущество перед другими методами состоит в том, что он дает диференциальную картину изменения вязкости жидкости в зависимости от расстояния от твердой поверхности и позволяет измерять вязкость в очень тонких поверхностных слоях (до нескольких миллимикронов) на границе жидкость —твердое тело. Последнее очень важно в связи с изучением проблемы маслянистости и прочности смазочного слоя.

Характерной особенностью метода сдувания тонкого слоя является возможность осуществления двухмерных измерений, в результате которых один опыт позволяет получить функциональную зависимость вязкости от того или иного параметра.

В работах Б. В. Дерягина и сотрудников изучалась зависимость вязкости от расстояния до твердой стенки. Толщина слоя измерялась изящным методом с применением поляризованного света. Б. В. Дерягин и М. М. Кусаков разработали вариант метода (с применением узкой клиновидной щели), позволяющий в результате одного опыта получить функциональную зависимость тангенциального усилия сдвига от градиента скорости. Теория этого метода разработана М. М. Кусаковым . В работе М. М. Кусакова и К. С. Крым описан вариант метода, основанный на сдувании тонкого слоя радиальным потоком.

М. М. Кусаков и Э. А. Разумовская разработали вариант метода, позволяющий в результате одного опыта получать температурную кривую вязкости смазочного масла в широком интервале температур. Сконструированный ими прибор — термореометр — позволяет в течение нескольких минут получить температурную кривую вязкости в широком интервале температур.

Если сдувать жидкость тангенциальной струей воздуха с горизонтальной поверхности гладкого твердого тела, то скорость сдвига слоя жидкости является функцией ее расстояния от стенки. Профиль внешней поверхности сдуваемой пленки будет вместе с тем профилем скорости сдвига. Если — тангенциальное напряжение, развиваемое при сдувании, то из закона Ньютона следует, что

— вязкость слоя, находящегося на расстоянии у от стенки.

Очевидно, что если х — расстояние, пройденное рассматриваемой частью жидкости за время f, то

—крутизна профиля скорости пленки.

Из уравнения (III, 8) следует, что вязкость пропорциональна крутизне профиля скорости или внешнему профилю тонкой пленки жидкости.

При освещении пленки после сдувания монохроматическим светом наблюдается система параллельных интерференционных полос разной толщины. Из теории света известно, что расстояние между соседними полосами интерференции обратно пропорционально крутизне профиля пленки, а следовательно, обратно пропорционально вязкости слоя жидкости. Картина распределения полос интерференции от границы смачивания со стороны направления струи воздуха является вместе с тем картиной распределения вязкости жидкости перпендикулярно поверхности. Например, сгущение полос интерференции у границы смачивания показывает, что вязкость жидкости возрастает вблизи стенки твердого тела. Зная длину волны монохроматического света и ширину полос интерференции, можно вычислить толщину сдуваемой пленки в данном месте и по формуле (III, 8) вязкость жидкости в соответствующем слое.