Измерва вътрешното съпротивление на срязващо напрежение

Динамичният вискозитет (наричан още абсолютен вискозитет) определя количествено каква сила е необходима за преместване на един слой флуид спрямо друг. Това е вътрешно свойство на самия флуид, независимо от плътността. По-високите стойности означават по-голямо съпротивление.

Формула: τ = μ × (du/dy), където τ = срязващо напрежение, du/dy = скоростен градиент

Единици: Pa·s (SI), поаз (P), сантипоаз (cP). Вода при 20°C = 1.002 cP

Динамичен вискозитет, разделен на плътност

Кинематичният вискозитет измерва колко бързо тече флуид под въздействието на гравитацията. Той отчита както вътрешното съпротивление (динамичен вискозитет), така и масата на единица обем (плътност). Използва се, когато е важно протичането под въздействието на гравитацията, като например източване на масло или наливане на течност.

Формула: ν = μ / ρ, където μ = динамичен вискозитет, ρ = плътност

Единици: m²/s (SI), стокс (St), сантистокс (cSt). Вода при 20°C = 1.004 cSt

• μ (динамичен) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (плътност) = 998.2 kg/m³
• ν (кинематичен) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Съотношение: ν/μ ≈ 1.0 (водата е референтна)

• μ (динамичен) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (плътност) = 850 kg/m³
• ν (кинематичен) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Забележка: Кинематичният е с 18% по-висок от динамичния (поради по-ниската плътност)

• μ (динамичен) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (плътност) = 1,261 kg/m³
• ν (кинематичен) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Забележка: Много вискозен — 1,400 пъти по-гъст от водата

• μ (динамичен) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (плътност) = 1.204 kg/m³
• ν (кинематичен) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Забележка: Нисък динамичен, висок кинематичен (газовете имат ниска плътност)

Стандарт ASTM D88, широко използван в Северна Америка за петролни продукти

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (валидно за SUS > 32)

• Измерва се при специфични температури: 100°F (37.8°C) или 210°F (98.9°C)
• Общ диапазон: 31-1000+ SUS
• Пример: Масло SAE 30 ≈ 300 SUS при 100°F
• Вариант Saybolt Furol (SFS) за много вискозни флуиди: ×10 по-голям отвор

Британски стандарт IP 70, често срещан във Великобритания и бившата Британска общност

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (валидно за RW1 > 34)

• Измерва се при 70°F (21.1°C), 100°F, или 140°F
• Вариант Redwood № 2 за по-гъсти флуиди
• Преобразуване: RW1 ≈ SUS × 1.15 (приблизително)
• До голяма степен заменен от стандартите ISO, но все още се споменава в по-стари спецификации

Немски стандарт DIN 51560, използван в Европа и петролната индустрия

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (валидно за °E > 1.2)

• Измерва се при 20°C, 50°C, или 100°C
• °E = 1.0 за вода при 20°C (по дефиниция)
• Общ диапазон: 1.0-20°E
• Пример: Дизелово гориво ≈ 3-5°E при 20°C

Най-дълго продължаващият лабораторен експеримент в света (от 1927 г.) в Университета на Куинсланд показва как смола (катран) тече през фуния. Тя изглежда твърда, но всъщност е течност с изключително висок вискозитет — 100 милиарда пъти по-вискозна от водата! Само 9 капки са паднали за 94 години.

Базалтовата лава (нисък вискозитет, 10-100 Pa·s) създава леки изригвания в хавайски стил с течащи реки. Риолитовата лава (висок вискозитет, 100,000+ Pa·s) създава експлозивни изригвания в стил „Света Елена“, защото газовете не могат да избягат. Вискозитетът буквално оформя вулканичните планини.

Кръвта е 3-4 пъти по-вискозна от водата (3-4 cP при 37°C) поради червените кръвни клетки. Високият вискозитет на кръвта увеличава риска от инсулт/инфаркт. Ниските дози аспирин намаляват вискозитета, като предотвратяват агрегацията на тромбоцитите. Тестването на вискозитета на кръвта може да предскаже сърдечно-съдови заболявания.

Противно на популярния мит, старите прозорци не са по-дебели в долната част поради протичане. Вискозитетът на стъклото при стайна температура е 10²⁰ Pa·s (един трилион трилиона пъти повече от водата). За да протече 1 мм, ще е необходимо повече време от възрастта на Вселената. То е истинско твърдо тяло, а не бавно течаща течност.

SAE 10W-30 означава: 10W = зимен вискозитет при 0°F (протичане при ниска температура), 30 = вискозитет при 212°F (защита при работна температура). „W“ е за зима (winter), а не за тегло (weight). Всесезонните масла използват полимери, които се свиват на студено (нисък вискозитет) и се разширяват на топло (поддържат вискозитета).

Водомерките използват повърхностното напрежение, но също така се възползват от вискозитета на водата. Движенията на краката им създават вихри, които се отблъскват от вискозното съпротивление, задвижвайки ги напред. В течност с нулев вискозитет (теоретично) те не биха могли да се движат — биха се подхлъзвали без сцепление.

Исак Нютон описва вискозитета в „Математически принципи на натурфилософията“. Въвежда концепцията за „вътрешно триене“ във флуидите.

Жан Поазьой изучава кръвния поток в капилярите. Извежда Закона на Поазьой, който свързва дебита с вискозитета.

Джордж Стокс извежда уравнения за вискозен поток. Доказва връзката между динамичен и кинематичен вискозитет.

Озбърн Рейнолдс въвежда числото на Рейнолдс. Свързва вискозитета с режима на потока (ламинарен срещу турбулентен).

Вискозиметърът на Сейболт е стандартизиран в САЩ. Методът с изтичаща чаша става стандарт в петролната индустрия.

Поаз и стокс са наречени единици от системата CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s стават стандарт.

Експериментът с капка смола започва в Университета на Куинсланд. Все още продължава — най-дългият лабораторен експеримент в историята.

Системата SI приема Pa·s и m²/s за стандартни единици. Сантипоаз (cP) и сантистокс (cSt) остават често използвани.

Стандартът ASTM D445 стандартизира измерването на кинематичен вискозитет. Капилярният вискозиметър става индустриален стандарт.

Ротационните вискозиметри позволяват измерване на неньютонови флуиди. Важно за бои, полимери, храни.

Цифровите вискозиметри автоматизират измерването. Температурно-контролираните вани осигуряват точност до ±0.01 cSt.

Избор на моторно масло, хидравлична течност и смазване на лагери:

• Класове SAE: 10W-30 означава 10W при 0°F, 30 при 212°F (диапазони на кинематичен вискозитет)
• Класове ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (кинематичен вискозитет при 40°C в cSt)
• Избор на лагери: Твърде тънко = износване, твърде гъсто = триене/топлина
• Вискозитетен индекс (VI): Измерва чувствителността към температура (по-висок = по-добър)
• Всесезонни масла: Добавките поддържат вискозитета при различни температури
• Хидравлични системи: Обикновено 32-68 cSt при 40°C за оптимална производителност

Спецификации на вискозитета за горива, суров петрол и рафиниране:

• Тежко гориво: Измерва се в cSt при 50°C (трябва да се нагрее, за да се изпомпва)
• Дизел: 2-4.5 cSt при 40°C (спецификация EN 590)
• Класификация на суровия петрол: Лек (<10 cSt), среден, тежък (>50 cSt)
• Поток в тръбопроводи: Вискозитетът определя изискванията за мощност на изпомпване
• Класове бункерно гориво: IFO 180, IFO 380 (cSt при 50°C)
• Процес на рафиниране: Вискокрекингът намалява тежките фракции

Контрол на качеството и оптимизация на процесите:

• Класифициране на меда: 2,000-10,000 cP при 20°C (в зависимост от влажността)
• Консистенция на сиропа: Кленов сироп 150-200 cP, царевичен сироп 2,000+ cP
• Млечни продукти: Вискозитетът на сметаната влияе на текстурата и усещането в устата
• Шоколад: 10,000-20,000 cP при 40°C (процес на темпериране)
• Газиране на напитки: Вискозитетът влияе на образуването на мехурчета
• Олио за готвене: 50-100 cP при 20°C (точката на димене корелира с вискозитета)

Бои, лепила, полимери и контрол на процесите:

• Вискозитет на боята: 70-100 KU (единици на Кребс) за консистенция при нанасяне
• Нанасяне чрез пръскане: Обикновено 20-50 cP (твърде гъста запушва, твърде рядка се стича)
• Лепила: 500-50,000 cP в зависимост от метода на нанасяне
• Полимерни стопилки: 100-100,000 Pa·s (екструзия/формоване)
• Печатарски мастила: 50-150 cP за флексография, 1-5 P за офсет
• Контрол на качеството: Вискозитетът показва консистенцията на партидата и срока на годност

Динамичният вискозитет (Pa·s, поаз) измерва вътрешното съпротивление на флуида на срязване — неговата абсолютна „гъстота“. Кинематичният вискозитет (m²/s, стокс) е динамичният вискозитет, разделен на плътността — колко бързо тече под въздействието на гравитацията. Необходима ви е плътността, за да преобразувате между тях: ν = μ/ρ. Мислете за това така: медът има висок динамичен вискозитет (гъст е), но живакът също има висок кинематичен вискозитет, въпреки че е „течен“ (защото е много плътен).

Не и без да знаете плътността на флуида при температурата на измерване. За вода близо до 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (защото плътността на водата е ≈ 1 g/cm³). Но за моторно масло (плътност ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Нашият конвертор блокира кръстосани преобразувания, за да предотврати грешки. Използвайте тази формула: cSt = cP / (плътност в g/cm³).

Класовете на вискозитет по SAE определят диапазони на кинематичен вискозитет. '10W' означава, че отговаря на изискванията за протичане при ниска температура (W = winter, тествано при 0°F). '30' означава, че отговаря на изискванията за вискозитет при висока температура (тествано при 212°F). Всесезонните масла (като 10W-30) използват добавки за поддържане на вискозитета при различни температури, за разлика от едносезонните масла (SAE 30), които се разреждат драстично при нагряване.

Универсалните Секунди на Сейболт (SUS) измерват колко време е необходимо на 60 мл флуид да изтече през калибриран отвор. Емпиричната формула е: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (за SUS > 32). Например, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS все още се използва в петролните спецификации, въпреки че е по-стар метод. Съвременните лаборатории използват кинематични вискозиметри, които директно измерват cSt съгласно ASTM D445.

По-високата температура дава на молекулите повече кинетична енергия, позволявайки им да се плъзгат по-лесно една покрай друга. При течностите вискозитетът обикновено спада с 2-10% на °C. Моторното масло при 20°C може да бъде 200 cP, но само 15 cP при 100°C (13-кратно намаление!). Вискозитетният Индекс (VI) измерва тази чувствителност към температурата: маслата с висок VI (100+) поддържат вискозитета си по-добре, а тези с нисък VI (<50) се разреждат драстично при нагряване.

Повечето хидравлични системи работят най-добре при 25-50 cSt при 40°C. Твърде нисък (<10 cSt) причинява вътрешни течове и износване. Твърде висок (>100 cSt) причинява бавна реакция, висока консумация на енергия и натрупване на топлина. Проверете спецификацията на производителя на вашата помпа — лопатковите помпи предпочитат 25-35 cSt, а буталните помпи толерират 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt при 40°C) е най-разпространеното хидравлично масло с общо предназначение.

Няма теоретичен максимум, но практическите измервания стават трудни над 1 милион cP (1000 Pa·s). Битумът/смолата може да достигне 100 милиарда Pa·s. Някои полимерни стопилки надвишават 1 милион Pa·s. При екстремни вискозитети границата между течност и твърдо тяло се размива — тези материали проявяват както вискозен поток (като течности), така и еластично възстановяване (като твърди тела), наречено вискоеластичност.

Поаз е в чест на Жан Леонар Мари Поазьой (1840-те), който изучава кръвния поток в капилярите. Стокс е в чест на Джордж Габриел Стокс (1850-те), който извежда уравненията за вискозен поток и доказва връзката между динамичен и кинематичен вискозитет. Рейн (паунд-сила секунда на квадратен инч) е кръстен на Озбърн Рейнолдс (1880-те), известен с числото на Рейнолдс в динамиката на флуидите.