تبیان، دستیار زندگی
با سرد شدن مایع ویسکوزیته یا مقاومت آن در برابر جریان افزایش می یابد. ویسکوزیته خاصیتی از مایع است که می تواند در کاربردهای مختلف بسیار مهم باشد...
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

مسابقه تیله در مایعات

مسابقه ی تیله ها در مایعات

آیا تا به حال در یک صبح سرد زمستانی سعی کرده اید مقداری عسل یا شیره ی مربا از بطری بردارید تا با صبحانه تان بخورید؟ آیا به این نکته دقت کرده اید که انجام این کار در یک روز گرم تابستانی آسان تر است؟ با سرد شدن مایع ویسکوزیته یا مقاومت آن در برابر جریان افزایش می یابد. ویسکوزیته خاصیتی از مایع است که می تواند در کاربردهای مختلف بسیار مهم باشد، از جمله نحوه ی جریان یافتن شیره ی مربا در بطری، جریان خون در بدن انسان و یا نحوه ی خروج گدازه ها از یک آتشفشان. در این فعالیت علمی شما مطالبی در مورد ویسکوزیته خواهید آموخت.

مسابقه ی تیله ها در مایعات

پیش زمینه:

شما اصطکاک را همواره در دنیای اطراف خود تجربه می کنید. اصطکاک باعث می شود کفش های شما به کف زمین گیر کنند تا زمین نخورید. اصطکاک باعث ایستادن دوچرخه پس از گرفتن ترمز می شود. این نوع از اصطکاک نیرویی مقاوم در برابر حرکت میان دو جسم جامد است. مایعات نیز دارای اصطکاک هستند، نه تنها در مقابل مواد جامد (مثلاً آب در برابر لیوان) بلکه اصطکاک داخلی در مقابل خود مایع. این اصطکاک داخلی ویسکوزیته نام دارد. مایعات مختلف ویسکوزیته ی خاص خود را دارند، به این معنا که برخی مایعات آسان تر از برخی دیگر جریان پیدا می کنند. برای درک بهتر یک تفنگ آب پاش را تصور کنید که با آن آب را به اطراف شلیک می کنید. اگر به جای آب داخل تفنگ عسل یا شیره ی مربای سرد باشد چه اتفاقی می افتد؟

مسابقه ی تیله ها در مایعات

دانشمندان روش های مختلفی برای اندازه گیری ویسکوزیته ی مایعات دارند. یکی از این روش ها ویسکومتری سقوطی (falling sphere viscometer) است که در آن یک کره (مثلاً تیله) را در لوله ای پر از مایع مد نظر می اندازید. با اندازه گیری مدت زمانی که طول می کشد تا تیله پایین برود و مسافتی که پایین می رود می توان ویسکوزیته ی مایع را محاسبه کرد. شما در این فعالیت علمی محاسبات ریاضی انجام نخواهید داد اما نحوه ی حرکت تیله در مایعات مختلف را با هم مقایسه می کنید. آیا ویسکوزیته بر سرعت پایین آمدن تیله در لوله تأثیرگذار است؟ فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.

مسابقه ی تیله ها در مایعات
این مساله در مورد آب با درجه گرماهای متفاوت نیز درست است.

مواد و وسایل مورد نیاز:

حدود ده عدد تیله ی هم اندازه
 حداقل دو لیوان شیشه ای شفاف بلند هم اندازه (هر چه این لیوان ها بلندتر باشند بهتر است.)

مسابقه ی تیله ها در مایعات

مایعات موجود در آشپزخانه که اجازه ی استفاده از آنها را داشته باشید، مانند آب، شیره ی مربا، عسل، روغن زیتون، روغن گیاهی و ...
 صافی
 یک سطح صاف که ریختن مایعات (آب، روغن و ...) روی آن اشکالی نداشته باشد. همچنین می توانید روی سطح کار خود چیزی پهن کنید تا کثیف نشود.
 چند کاسه یا ظرف اضافی و یک قیف (برای نگه داشتن و استفاده ی مجدد از مایعاتی که در آزمایش استفاده می کنید، در صورتی که نمی خواهید آنها را دور بریزید.) (اختیاری)
داوطلب برای کمک در بررسی نحوه ی حرکت تیله ها در مایعات مختلف (اختیاری)

مسابقه ی تیله ها در مایعات

آماده سازی:

اگر می خواهید مایعات مورد استفاده در این آزمایش را برای مصارف بعدی نگه دارید. حتماً تیله ها و لیوان ها را قبل از شروع کار با آب و صابون خوب بشویید و آنها را به طور کامل خشک کنید. بدین ترتیب مایعات مورد استفاده آلوده نمی شوند.
 یک سطح کار صاف آماده کنید که ریختن قطرات مایع (مانند آب، روغن و ...) روی آن اشکال نداشته باشد.

روش کار:

هر کدام از دو لیوان شیشه ای (یا تعداد بیشتر در صورت تمایل) را با یکی از مایعات مختلفی که آماده کرده اید پر کنید، ارتفاع این مایعات در لیوان ها باید یکسان باشد. (برای جلوگیری از ریختن مایع هنگام انداختن تیله در لیوان ها بهتر است کمی از سر لیوان ها را خالی بگذارید.)
 به نظرتان کدام مایع ویسکوزیته ی بیشتری دارد؟ آیا در هنگام ریختن آنها در لیوان ها می توانید این مسئله را تشخیص دهید؟ به نظرتان سرعت حرکت تیله در این مایعات متفاوت خواهید بود؟
 یک تیله در هر دستتان بگیرید و دستانتان را بالای لیوان ها درست در بالای سطح مایع نگه دارید.
 لیوان ها را با دقت نگاه کنید. آماده ی این باشید که ببینید کدام تیله زودتر به انتهای لیوان می رسد. اگر داوطلبی برای کمک دارید از او نیز بخواهید با دقت لیوان ها را بررسی کند.
 تیله ها را درست در یک زمان رها کنید.

مسابقه ی تیله ها در مایعات

کدام تیله زودتر به انتهای لیوان برخورد می کند؟
 کدام تیله برنده ی این مسابقه ی سرعت است؟ آیا نتایج با چیزی که پیش بینی می کردید یکسان است؟
 همین مراحل را با چند تیله ی دیگر انجام دهید تا از صحت نتایج خود مطمئن شوید. (هر بار از تیله های تمیز و خشک استفاده کنید.)
 اگر بیشتر از دو مایع برای آزمایش دارید، نحوه ی سقوط تیله در آنها را نیز بررسی کنید.
 تیله ها در کدام مایع سریع تر به کف لیوان می رسند؟ در کدام لیوان حرکت تیله ها آهسته تر از بقیه است؟

آزمایش های تکمیلی:

به نظرتان اگر در این فعالیت علمی از تیله هایی با جنس های مختلف (برای مثال فلزی و شیشه ای) و یا اندازه های متفاوت استفاده کنید نتایج چه تغییری می کند؟
 
 اگر دمای مایع را تغییر دهید چه اتفاقی می افتد؟ از یک بزرگتر بخواهید مقداری شیره ی مربا را در یخچال قرار دهد تا سرد شود و مقداری را روی شعله ی گاز یا داخل مایکروویو گرم کند. اگر این آزمایش را روی این دو مایع با دمای متفاوت انجام دهید چه اتفاقی می افتد؟ دما چه تأثیری بر ویسکوزیته ی مایع دارد؟ آیا تأثیر دما بر ویسکوزیته در برخی مایعات بیشتر از بقیه است؟
مشاهده و نتیجه گیری:
در هنگام ریختن مایعات داخل لیوان ها احتمالاً متوجه شده اید که برخی از آنها سخت تر حرکت می کنند. این مایعات دارای ویسکوزیته ی بیشتری هستند. همچنین می توانید در مورد این مایعات در مصارف روزمره فکر کنید. به عنوان مثال، اگر روی پنکیک آب بریزید چه اتفاقی می افتد؟ آیا آب نیز مانند شیره ی مربا به آرامی روی سطح پنکیک پخش می شود یا به سرعت حرکت می کند؟ اگر بخواهید یک لیوان شیره ی مربا بنوشید چه رخ می دهد؟ صرف نظر از مزه ی آن و درست نبودن این کار، آیا نوشیدن یک لیوان شیره ی مربا مانند نوشیدن یک لیوان آب است؟
 
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که تیله ها در مایعات با ویسکوزیته ی بیشتر (مانند شیره ی مربا) بسیار آهسته تر از مایعات با ویسکوزیته ی کم (مانند آب) به سمت پایین حرکت می کنند. دلیل آن است که مایعات با ویسکوزیته ی بالاتر مقاومت بیشتری در برابر جریان دارند، به همین دلیل حرکت تیله از میان آنها بسیار دشوار است. با این وجود ممکن است تشخیص تفاوت میان ویسکوزیته ی برخی مایعات دشوار باشد، به خصوص اگر ارتفاع لیوان ها خیلی زیاد نباشد. به همین دلیل لازم است چندین بار حرکت تیله در مایع را بررسی کنید و در صورت امکان از یک همراه بخواهید تا در این کار به شما کمک کند.

مسابقه ی تیله ها در مایعات

تمیز کردن:

اگر قصد نگه داشتن مایعات برای مصارف بعدی را دارید، با کمک یک بزرگتر آنها را در ظرف های اصلی خود بریزید. (برای این کار با صافی تیله ها را از مایع جدا کنید.) چنانچه قصد نگه داشتن مایعات را ندارید، با کمک یک بزرگتر آنها را دور بریزید. دقت داشته باشید که ریختن برخی مایعات ویسکوز مانند روغن در سینک می تواند سبب گرفتگی لوله ها شود.

منبع:  Marble race-in Liquid!

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان، تنظیم: نیلوفر یاقوتی