ویسکوزیته و روغن موتور

اهداف: در این پروژه هدف ساخت و استفاده از یک ویسکومتر جهت اندازه گیری سرعت جریان یافتن مقدار مشخصی آب است.

وسائل مورد نیاز:

قیچی

یک عدد قوطی مایع ظرفشویی با درب رویش

ماژیک سی دی

خط کش

گل سفالگری یا خمیر بازی

یک ظرف شیشه ای که دهانه آن قدری از بخش بالای قوطی مایع ظرفشویی بازتر باشد.

مقداری آب

کرنومتر

مایعات موادی هستند که هنگامی که در یک ظرف ریخته می شوند، کامل فضا را پر کرده و شکل ظرف را به خود می گیرند. این قابلیت جریان یافتن، یکی از مشخصه های خیلی مهم مایعات به شمار می رود. اما ویسکوزیته چیست؟

ویسکوزیته به مقاومت یک مایع در برابر جاری شدن، گفته می شود. هر چه مقاومت یک مایع بیشتر باشد به اصطلاح ویسکوزیته بالاتری دارد.

در این پروژه قرار است از مایعات با ویسکوزیته مختلف که در هر خانه ای یافت می شوند، استفاده نموده و یک ویسکومتر (که کارش اندازه گیری ویسکوزیته مایعات است) بسازیم.

اما روش کار به این صورت خواهد بود که سرعت جاری شدن مایعات گونانگون را با آب مقایسه کرده و به این صورت یک ضریب ویسکوزیته برای هر مایع تعریف خواهیم کرد. همچنین در این پروژه به بررسی اثر دما بر میزان ویسکوزیته مایعات خواهیم پرداخت.

روش کار :

1. از حدود 2-3 سانتی متر از انتهای قوطی را ببرید و جدا نمایید.

2. قوطی را سر و ته گرفته و بر روی آن دو نقطه را یکی 2 سانتی متر پایین تر از خط برش و دیگری را 10 سانتی متر پایین تر از نقطه اول علامت بزنید.

3. در کنار نقطه بالایی عبارت "شروع" و کنار نقطه پایین عبارت "پایان" را درج کنید.

4. درب قوطی را بسته و آن را به همان صورت سر و ته درون ظرف شیشه ای قرار دهید. سپس خمیر یا گل را به گونه ای به دور آن قالب بزنید که قوطی در همان حالت راست بایستد اما امکان در آوردن آن باشد.

5. درون قوطی مقداری آب سرد شیر (در حدود 1.5 سانتی متر بالاتر از خط شروع) بریزید.

6. قوطی را برداشته و درب آن را بالای ظرف باز کنید و بلافاصله قوطی را در جای خود قرار دهید.

7. هنگامی که سطح آب به خط شروع رسید، کرنومتر را فعال کنید.

8. با رسیدن سطح آب به نقطه پایان کرنومتر را متوقف کرده و زمان اندازه گیری شده را در جدولی مانند شکل زیر ثبت نمایید.

9. این روند را سه بار انجام داده و میانگین زمان سپری شده در مجموع دفعات را نیز محاسبه نمایید.

نتایج:

به عنوان نمونه در اندازه گیری یکی از پژوهشگران، زمان سپری شده در حدود 39 ثانیه بود. (نکته : زمان جاری شدن آب تا حد زیادی به قطر دهانه قوطی بستگی دارد بنابراین اگر زمان شما متفاوت بود تعجب نکنید. همچنین تا پایان آزمایش قوطی را تغییر ندهید!)

چرا ؟(توجیه علمی)

مدت زمانی که طول می کشد تا یک مایع از درون قوطی خارج شود، دقیقا به میزان ویسکوزیته آن بستگی دارد. ویسکوزیته نشان دهنده میزان مقاومت مایع در برابر جریان یافتن است که این مقاومت ناشی از اصطحکاک میان مولکول ها می باشد. ویسکوزیته کاملا به ساختار مولکول های مایع بستگی دارد. اگر مولکول ها کوچک و ساده باشند، مانند مولکول های آب، در کنار هم به راحتی و با سرعت حرکت می کنند. اما اگر مولکول ها بزر و در هم تنیده باشند ، به عنوان نمونه همچون مولکول های روغن، حرکت آن ها در مجاور هم کند و دشوار خواهد بود. مایعاتی که حرکت مولکولهایشان روان است دارای ویسکوزیته کم و مایع با حرکت مولکول های کند دارای ویسکوزیته بالا می باشد.

رهیافت های جدید :

1. آیا دمای آب بر روی ویسکوزیته آن اثر دارد؟ آزمایش فوق را مجدد در دو حالت انجام دهید. در حالت اول آب را در فریزر گذاشته و دمای آن را تا نزدیکی صفر (قبل از انجماد) پایین آورید. در حال دوم از آب گرم شیر برای آزمایش استفاده نمایید.

2. اما سوال دیگر که پیش می آید این است که حال ویسکوزیته مایعات گوناگون در مقایسه با آب به چه صورت است؟ از مقایسه ویسکوزیته یا همان زمان جریان مایعات دیگر با آب، می توان یک ضریب ویسکوزیته نسبی برای این مایعات تعریف نمود. اگر این ضریب (نسبت زمان جریان مایع به آب) کوچکتر از یک باشد، نشان دهنده این است که ویسکوزیته مایع از آب کمتر است. ضریب بزرگتر از یک معرف مایعی ویسکوزتر از آب می باشد. به این ترتیب اگر به عنوان مثال این زمان برای مایع ظرفشویی 573 ثانیه و برای آب 39 ثانیه باشد، ضریب ویسکوزیته از رابطه زیر تعریف می شود:

این عدد نشان می دهد که مایع ظرفشویی 14.7 مرتبه ویسکوزتر از آب است.

راهنمایی برای ادامه پروژه :

1. ویسکوزیته روغن موتور توسط انجمن مهندسین مکانیک (SAE) اندازه گیری شده و تحت عنوان "وزن" بر روی آن درج شده است اما این عدد دقیقا مقدار ویسکوزیته روغن نیست. شما می توانید همین آزمایش را برای روغن هایی با وزن کم، متوسط و سنگین تکرار نمایید.

2. دما چگونه بر روی میزان ویسکوزیته روغن اثر می گزارد؟ می توانید دمای روغن را از طریق قرار دادن آن به مدت یک شب در فریزر و یا گذاشتن آن در ظرف آب گرم تغییر داده و هر بار ویسکوزیته را اندازه گیری نمایید. می توانید از دماسنج برای اندازه گیری دقیق دما استفاده نماید؟ به نظر شما دمای روغن در موتور ماشن هنگام کار چقدر است؟ ویسکوزیته روغن در این حالت چه میزان است؟

3. نتایج حاصل از آزمایشات فوق را می توانید به صورت یک منحنی گرافیکی به نمایش بگذارید.

تکلیف:

1. از نظر فیزیکی به نظر شما چه اتفاقی برای انرژی جنبشی مولکول های مایع در هنگام افزایش دما رخ می دهد؟ این انرژی چگونه بر روی انرژی بستگی مولکول ها اثر می گذارد؟ برای پاسخ این سوالات به مطالعه مقاله و یا کتابی در مورد تاثیرات انرژی جنبشی بر روی ویسکوزیته بپردازید و با این اطلاعات به توجیه قیق تر داده ها و منحنی هایتان بپردازید.

2. تحقیقی را راجع به روغن موتور انجام دهید و ببینید چه تفاوتی میان روغن با عنوان SAE 30 و روغن با عنوان SAE 30W می باشد؟ برچسب 10-W-30 که بر روی قوطی روغن موتور چسبانده می شود به چه معنا است؟ اگر همانطور که نشان دادید، ویسکوزیته با دما تغییر می کند؟ چرا در هر فصل نیازی به تعویض روغن موتور نمی باشد؟ بهترین منبع برای این تحقیق مسلما می تواند یک تعمیرگاه خودرو باشد!

محل بازدید/ اردو/ خرید: ---------------------------

منابع مطالعه: -------------------------------

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی