Viskositeetti
Viskositeetti kuvaa nesteen tai kaasun sisäistä vastusta leikkausmuodonmuutokselle. Eri nopeudella liikkuvat vierekkäiset kerrokset siirtävät liikemäärää toistensa välillä. Suuri viskositeetti tarkoittaa voimakkaampaa vastusta nopeusgradientille, mutta ei samaa asiaa kuin suuri tiheys.
Newtonilainen neste
Newtonilaiselle nesteelle leikkausjännitys on τ=η dv/dy. Dynaaminen viskositeetti η on tällöin olosuhteissa vakio. Vesi ja ilma ovat monissa tilanteissa hyviä esimerkkejä, kun taas veri, maalit ja polymeeriliuokset voivat poiketa tästä.
Molekyylitason selitys
Nesteissä viskositeettiin vaikuttavat molekyylien väliset vuorovaikutukset ja niiden uudelleenjärjestyminen. Kaasuissa nopeasti liikkuvat molekyylit kuljettavat liikemäärää alueelta toiselle. Siksi lämpötilan vaikutus viskositeettiin voi olla nesteissä ja kaasuissa erisuuntainen.
Lämpötilariippuvuus
Monien nesteiden viskositeetti pienenee lämmetessä: lämmin hunaja virtaa helpommin kuin kylmä. Harvassa kaasussa viskositeetti yleensä kasvaa lämpötilan mukana, koska nopeammat molekyylit siirtävät liikemäärää tehokkaammin.
Poiseuillen laki
Laminaarisessa virtauksessa pitkässä pyöreässä putkessa newtonilaisen nesteen nopeusprofiili on likimain paraabeli. Seinällä no-slip-ehto antaa nollanopeuden. Tilavuusvirta riippuu voimakkaasti putken säteestä, ideaalissa laissa suhteessa r⁴:ään.
Reynoldsin luku
Reynoldsin luku vertaa inertiaalisten ja viskoosisten vaikutusten suuruutta. Pieni arvo suosii laminaarista virtausta, suuri arvo voi johtaa turbulenssiin. Siirtymä riippuu geometriasta ja häiriöistä, joten yksi kriittinen luku ei päde kaikkiin järjestelmiin.
Ei-newtonilaiset aineet
Veren, ketchupin, maalien ja suspensioiden tehollinen viskositeetti voi riippua leikkausnopeudesta tai niillä voi olla myötöraja. Niitä ei voi kuvata yhdellä vakiolla η. Siksi mittauksen yhteydessä on ilmoitettava lämpötila ja mekaaninen kuormitustapa.
Tiheys ei ole viskositeetti
Elohopea on hyvin tiheää, mutta tiheys mittaa massaa tilavuutta kohti. Viskositeetti mittaa leikkausliikkeen vastusta. Kinemaattinen viskositeetti ν=η/ρ yhdistää nämä ominaisuudet joissakin virtausongelmissa, mutta käsitteitä ei pidä sekoittaa.
Mekaanisen energian häviö
Viskositeetti muuttaa järjestäytynyttä virtausenergiaa sisäenergiaksi. Pitkässä putkessa paine pienenee virtauksen suunnassa, vaikka putken korkeus ja halkaisija eivät muuttuisi. Siksi ideaaliseen Bernoullin yhtälöön tarvitaan todellisissa järjestelmissä häviötermi, joka riippuu virtauksesta ja seinämäkitkasta.
Harjoitus
Miksi lämmitetty hunaja valuu yleensä nopeammin kuin kylmä hunaja saman aukon läpi?
Ratkaisu
Monissa nesteissä dynaaminen viskositeetti pienenee lämpötilan noustessa. Pienempi η tarkoittaa pienempää leikkausvastusta samoissa paine- ja geometriaolosuhteissa.