Viscosimetro a sfera a caduta verticale

Molti metodi possono essere utilizzati per misurare la viscosità di un fluido. Questi fenomeni si basano solitamente su uno di tre fenomeni: una superficie in movimento a contatto con il fluido, un oggetto che si muove attraverso il fluido e il fluido che scorre attraverso un componente resistivo. Questi fenomeni utilizzano i tre principali viscosimetri del settore, ovvero i viscosimetri a sfera rotazionale e cadente e i viscosimetri capillari. I viscosimetri a sfera cadente sono comunemente usati per misurare la viscosità di liquidi e gas newtoniani. Questo metodo applica le leggi del moto di Newton in condizioni di equilibrio di forze quando la palla che cade raggiunge la sua velocità finale. Secondo le leggi del moto di Newton per una palla che cade, ci sono galleggiabilità, gravità e resistenza, e queste tre forze arrivano ad una forza netta pari a zero. La forza di trascinamento può essere ottenuta dalla legge di Stokes, che è valida per numeri di Reynolds inferiori a 1.

I viscosimetri a sfera cadente sono particolarmente adatti per misurare la viscosità dei fluidi e il metodo è descritto negli standard internazionali. Nello standard internazionale G il metodo differisce dai principi descritti nel Rif. Questi standard descrivono un metodo con tubo inclinato in cui il tubo a sfera cadente è inclinato di 10 gradi rispetto alla verticale. Inoltre, per diversi intervalli di misurazione della viscosità dinamica, vengono utilizzate sei sfere con diametri diversi e la sfera appropriata può essere selezionata quando il tempo di caduta della sfera non è inferiore al tempo di caduta minimo registrato durante il test. Il movimento di rotolamento e scorrimento della sfera attraverso il liquido campione si trova talvolta in un tubo di misura cilindrico inclinato. La viscosità del campione è correlata al tempo impiegato dalla pallina per cadere ad una distanza specifica e i risultati del test vengono forniti come viscosità dinamica.

Sebbene il metodo della sfera cadente sia ben consolidato e descritto negli standard internazionali, il funzionamento di questo tipo di viscosimetro è alquanto scomodo. Ad esempio, un viscosimetro richiede sei sfere di diverso diametro per misurare diversi intervalli di viscosità e l'utente deve eseguire dei test per selezionare le sfere appropriate. Inoltre è difficile determinare dove la pallina in caduta raggiunge la sua velocità finale, cioè se la distanza tra la linea di registrazione iniziale e la posizione di caduta iniziale è sufficiente. Inoltre, il viscosimetro del tubo inclinato è di 10 gradi rispetto alla verticale; quindi la palla che tocca terra non solo cade, ma rotola anche. Questo fenomeno è diverso dalle condizioni di derivazione del metodo della palla cadente. Pertanto, lo scopo di questo studio è quello di sviluppare un nuovo metodo basato sul tradizionale metodo della caduta delle sfere derivando al contempo le equazioni dinamiche che descrivono il comportamento delle sfere che cadono nei tubi verticali. Poiché questo tipo di viscosimetro è perpendicolare al terreno, in questo caso viene chiamato viscosimetro a sfera a caduta verticale.