1936. Вискозиметр Уббелоде

Многие из нас предполагают, что на интуитивном уровне понимают, что такое вязкость, и даже могут похвастаться тем, что могут качественно отличить вязкость одной жидкости от другой – вязкость ртути очень небольшая, особенно в сравнении с вязкостью мёда.

Тем не менее, студенты, которых на занятиях по химической технологии или по полимерам я прошу дать понятие вязкости, объяснить её внутренние причины и сравнить a priori скорость течения жидкостей, не столь различных по свойствам, как ртуть и мёд, они обычно затрудняются с ответами. Их можно понять – вязкость представляет собой одно из самых странных и важных свойств текучих сред, в том числе важное и для живых организмов. Как отмечал лауреат Нобелевской Премии по физике 1952 года, создатель метода ядерного магнитного резонанса, Эдвард Миллс Парселл в своей лекции «Жизнь при низких числах Рейнольдса», впоследствии опубликованной Американским физическим журналом, вязкость может зависеть от размеров плавающего в жидкости объекта. Так, человек вполне свободно может плавать в воде, «отталкиваясь» от неё и преодолевая силы межмолекулярного взаимодействия, возникающие между водой и его телом, а вот сил микроорганизмов не хватает для преодоления сетки водородных связей воды, и им для перемещения приходится использовать другие стратегии. В наши дни измерение вязкости и индивидуальной жидкости, и растворов позволяет решать много задач – от более глубокого понимания природы межмолекулярных связей в текучей среде до определения средних молекулярных масс высокомолекулярных соединений. Ну а самое главное устройство для измерения вязкости разработал Лео Уббелоде, который изучал вязкость всю жизнь.

Уббелоде родился в 1877 году в немецком Ганновере, он рос среди шести братьев и сестёр, его семья занималась разработками торфа, но семейное предприятие обанкротилось в 1883 году, и семья разделилась – младшие дети вместе с матерью переехали в Нойштадт-ам-Рюбенберге. Учась в школе, Уббелоде показал склонность к естественным и техническим дисциплинам, и в 1890 году, когда семья объединилась, Лео делился с родственниками мыслями о том, что хочет продолжить изучение наук в университете. Беда пришла в 1894 году, когда отец семейства скоропостижно скончался, оставив семью без средств к существованию. В то время, когда его мать пыталась поправить дела, организовывая дело по производству тары из торфа, Уббелоде изучал химию в Техническом университете Берлина-Шарлоттенбурга, слушая лекции Ганса Генриха Ландольта (открывшего колебательную реакцию – «йодные часы») и Эмиля Фишера (получившего в 1902 году Нобелевскую премию по химии за исследования сахаров). Чтобы помочь семье, он возглавил разработку и строительство торфоперерабатывающего завода, разрабатывая для него оборудование. Однако наука привлекала его больше технологических задач, и, уйдя с завода, он устроился на работу в Берлинское бюро сертификации и испытания материалов.

Там для оптимизации перегонок с вакуумом он разработал компактный и портативный вакуумный насос. Фракции веществ, на которые разделялась смесь с помощью вакуумной перегонки, проводившейся с помощью нового насоса, охарактеризовывались в том числе и по их вязкости. Для изучения самых вязких фракций Уббелоде использовали вискозиметр Карла Энглера – термоизолированный сосуд с отверстием, через который истекала жидкость. Отношение времени истечения 200 мл жидкости ко времени истечения 200 мл воды при одинаковой температуре определялось как «градусы вязкости Энглера». Интересуясь вязкостью, Уббелоде присоединился к лаборатории Энглера в Техническом университете Карлсруэ. К 1910 году Уббелоде прошёл хабилитацию, получил право работать преподавателем и с 1911 года начал учить студентов. Его коллегами были три будущих лауреата Нобелевской премии – Фриц Габер, Герман Штаудингер и Леопольд Ружичка.

Темой научных исследований Уббелоде была химия нефти и жиров, а также переработка текстильных волокон, в равной мере он публиковал и научные статьи, и оформлял патенты. Исследования развивались, однако проблема вязкости оставалась одной из центральных для дальнейших работ. Дело в том, что вискозиметр Энглера не мог измерять абсолютные значения кинематической вязкости, обладая при этом весьма скромной точностью измерений. Точно измерять вязкость можно было с помощью устройства Вильгельма Освальда, в котором замерялось время истечения жидкости через капилляр. Но Уббелоде хотел рассматривать вязкость в целом и общем, а для этого у вискозиметра Освальда также были недостатки: по мере истечения жидкости из капилляра течение замедлялось (а это требовало корректировки), различие формы менисков в верхней области капилляра и его нижней области обеспечивало измерения систематической ошибкой, значение которой нельзя было оценить. Таким образом, для повышения точности измерения требовалось очень точно отмерять объёмы образцов, а из-за термического расширения жидкостей измеряемая вязкость ещё и сильно зависела от температуры.

Уббелоде определил, что важным параметром, влияющим на скорость перемещения жидкости по капилляру в висзкозиметре Энглера, была форма, которую принимала жидкость в процессе течения, и решил разработать устройство, в котором неопределённости измерения, связанные с капиллярными явлениями, можно было бы компенсировать. Под капилляром он поместил стеклянную полусферу, в которую стекала жидкость из капилляра, образовывая плёнку, взаимодействие которой со стеклом полусферы компенсировало действие капиллярных сил. Вторая большая по размеру емкость была расположена над капилляром и служила резервуаром для текучей среды, вязкость которой измерялась. Новый вискозиметр был прост в использовании. С помощью вискозиметров разного размера, диаметры капилляров в которых и объёмы ёмкостей были тщательно рассчитаны Лео Уббелоде, появлялась возможность за минуты измерять вязкость текучих сред, даже если эти параметры вязкости различались на шесть порядков. Уббелоде убедил производителей лабораторного стеклянного оборудования организовать промышленное производство своего изобретения, что и было сделано. Вискозиметр этой модели и до настоящего времени является самым простым и удобным устройством для определения вязкости.