Měří vnitřní odpor vůči smykovému napětí

Dynamická viskozita (také nazývaná absolutní viskozita) kvantifikuje, jaká síla je potřebná k posunutí jedné vrstvy tekutiny přes druhou. Je to vnitřní vlastnost samotné tekutiny, nezávislá na hustotě. Vyšší hodnoty znamenají větší odpor.

Vzorec: τ = μ × (du/dy) kde τ = smykové napětí, du/dy = gradient rychlosti

Jednotky: Pa·s (SI), poise (P), centipoise (cP). Voda @ 20°C = 1.002 cP

Dynamická viskozita dělená hustotou

Kinematická viskozita měří, jak rychle tekutina teče pod vlivem gravitace. Zohledňuje jak vnitřní odpor (dynamickou viskozitu), tak hmotnost na objem (hustotu). Používá se, když je důležitý tok řízený gravitací, jako je vypouštění oleje nebo lití kapaliny.

Vzorec: ν = μ / ρ kde μ = dynamická viskozita, ρ = hustota

Jednotky: m²/s (SI), stokes (St), centistokes (cSt). Voda @ 20°C = 1.004 cSt

• μ (dynamická) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (hustota) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Poměr: ν/μ ≈ 1.0 (voda je referenční)

• μ (dynamická) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (hustota) = 850 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Poznámka: Kinematická je o 18 % vyšší než dynamická (kvůli nižší hustotě)

• μ (dynamická) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (hustota) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Poznámka: Velmi viskózní—1,400× hustší než voda

• μ (dynamická) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (hustota) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Poznámka: Nízká dynamická, vysoká kinematická (plyny mají nízkou hustotu)

Standard ASTM D88, široce používaný v Severní Americe pro ropné produkty

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (platné pro SUS > 32)

• Měřeno při specifických teplotách: 100°F (37.8°C) nebo 210°F (98.9°C)
• Běžný rozsah: 31-1000+ SUS
• Příklad: Olej SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Varianta Saybolt Furol (SFS) pro velmi viskózní tekutiny: ×10 větší otvor

Britský standard IP 70, běžný ve Velké Británii a bývalém Commonwealthu

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (platné pro RW1 > 34)

• Měřeno při 70°F (21.1°C), 100°F, nebo 140°F
• Varianta Redwood č. 2 pro hustší tekutiny
• Převod: RW1 ≈ SUS × 1.15 (přibližně)
• Většinou nahrazeno standardy ISO, ale stále se odkazuje ve starších specifikacích

Německý standard DIN 51560, používaný v Evropě a ropném průmyslu

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (platné pro °E > 1.2)

• Měřeno při 20°C, 50°C, nebo 100°C
• °E = 1.0 pro vodu @ 20°C (dle definice)
• Běžný rozsah: 1.0-20°E
• Příklad: Nafta ≈ 3-5°E @ 20°C

Nejdelší laboratorní experiment na světě (od roku 1927) na University of Queensland ukazuje, jak smůla (dehet) teče trychtýřem. Vypadá jako pevná látka, ale ve skutečnosti je to kapalina s velmi vysokou viskozitou—100 miliardkrát viskóznější než voda! Za 94 let spadlo pouze 9 kapek.

Bazaltová láva (nízká viskozita, 10-100 Pa·s) vytváří mírné erupce havajského typu s tekoucími řekami. Ryolitická láva (vysoká viskozita, 100,000+ Pa·s) vytváří explozivní erupce typu Mount St. Helens, protože plyny nemohou uniknout. Viskozita doslova formuje sopečné hory.

Krev je 3-4× viskóznější než voda (3-4 cP @ 37°C) díky červeným krvinkám. Vysoká viskozita krve zvyšuje riziko mrtvice/infarktu. Nízká dávka aspirinu snižuje viskozitu tím, že brání shlukování krevních destiček. Testování viskozity krve může předpovídat kardiovaskulární onemocnění.

Navzdory populárnímu mýtu nejsou stará okna na spodní straně tlustší kvůli tečení. Viskozita skla při pokojové teplotě je 10²⁰ Pa·s (bilion bilionkrát více než u vody). Aby steklo o 1 mm, trvalo by to déle než je stáří vesmíru. Je to skutečná pevná látka, ne pomalá kapalina.

SAE 10W-30 znamená: 10W = zimní viskozita @ 0°F (tečení při nízké teplotě), 30 = viskozita @ 212°F (ochrana při provozní teplotě). 'W' znamená zima (winter), ne váha (weight). Vícestupňové oleje používají polymery, které se v chladu smršťují (nízká viskozita) a v teple rozpínají (udržují viskozitu).

Bruslařky využívají povrchové napětí, ale také viskozitu vody. Jejich pohyby nohou vytvářejí víry, které tlačí proti viskóznímu odporu a pohánějí je dopředu. V kapalině s nulovou viskozitou (teoreticky) by se nemohly pohybovat—klouzaly by bez trakce.

Isaac Newton popisuje viskozitu v díle Principia Mathematica. Zavádí koncept 'vnitřního tření' v tekutinách.

Jean Poiseuille studuje průtok krve v kapilárách. Odvozuje Poiseuillův zákon, který spojuje průtok s viskozitou.

George Stokes odvozuje rovnice pro viskózní tok. Dokazuje vztah mezi dynamickou a kinematickou viskozitou.

Osborne Reynolds zavádí Reynoldsovo číslo. Spojuje viskozitu s režimem proudění (laminární vs. turbulentní).

Sayboltův viskozimetr je standardizován v USA. Metoda výtokového pohárku se stává standardem v ropném průmyslu.

Poise a stokes jsou pojmenovány jako jednotky CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s se stávají standardem.

Experiment s kapkou smůly začíná na University of Queensland. Stále probíhá—nejdelší laboratorní experiment v historii.

SI přijímá Pa·s a m²/s jako standardní jednotky. Centipoise (cP) a centistokes (cSt) zůstávají běžné.

Standard ASTM D445 standardizuje měření kinematické viskozity. Kapilární viskozimetr se stává průmyslovým standardem.

Rotační viskozimetry umožňují měření nenewtonských tekutin. Důležité pro barvy, polymery, potraviny.

Digitální viskozimetry automatizují měření. Teplotně řízené lázně zajišťují přesnost ±0.01 cSt.

Výběr motorového oleje, hydraulické kapaliny a mazání ložisek:

• Třídy SAE: 10W-30 znamená 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (rozsahy kinematické viskozity)
• Třídy ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematická viskozita @ 40°C v cSt)
• Výběr ložisek: Příliš řídké = opotřebení, příliš husté = tření/teplo
• Viskozitní index (VI): Měří citlivost na teplotu (vyšší = lepší)
• Vícestupňové oleje: Aditiva udržují viskozitu v různých teplotách
• Hydraulické systémy: Typicky 32-68 cSt @ 40°C pro optimální výkon

Specifikace viskozity pro palivo, ropu a rafinaci:

• Těžký topný olej: Měřeno v cSt @ 50°C (musí se zahřát pro čerpání)
• Nafta: 2-4.5 cSt @ 40°C (specifikace EN 590)
• Klasifikace ropy: Lehká (<10 cSt), střední, těžká (>50 cSt)
• Průtok potrubím: Viskozita určuje požadavky na výkon čerpadla
• Třídy lodního paliva: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces rafinace: Viskózní krakování snižuje těžké frakce

Kontrola kvality a optimalizace procesů:

• Třídění medu: 2,000-10,000 cP @ 20°C (v závislosti na vlhkosti)
• Konzistence sirupu: Javorový sirup 150-200 cP, kukuřičný sirup 2,000+ cP
• Mléčné výrobky: Viskozita smetany ovlivňuje texturu a pocit v ústech
• Čokoláda: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces temperování)
• Sycení nápojů: Viskozita ovlivňuje tvorbu bublin
• Olej na vaření: 50-100 cP @ 20°C (bod zakouření souvisí s viskozitou)

Barvy, lepidla, polymery a řízení procesů:

• Viskozita barvy: 70-100 KU (Krebsiovy jednotky) pro konzistenci aplikace
• Nástřik: Typicky 20-50 cP (příliš hustá ucpává, příliš řídká stéká)
• Lepidla: 500-50,000 cP v závislosti na metodě aplikace
• Taveniny polymerů: 100-100,000 Pa·s (extruze/vstřikování)
• Tiskařské barvy: 50-150 cP pro flexografii, 1-5 P pro ofset
• Kontrola kvality: Viskozita indikuje konzistenci šarže a trvanlivost

Dynamická viskozita (Pa·s, poise) měří vnitřní odpor tekutiny vůči smyku—její absolutní 'hustotu'. Kinematická viskozita (m²/s, stokes) je dynamická viskozita dělená hustotou—jak rychle teče pod vlivem gravitace. K převodu mezi nimi potřebujete hustotu: ν = μ/ρ. Představte si to takto: med má vysokou dynamickou viskozitu (je hustý), ale rtuť má také vysokou kinematickou viskozitu, i když je 'řídká' (protože je velmi hustá).

Ne bez znalosti hustoty tekutiny při teplotě měření. Pro vodu blízko 20°C platí 1 cP ≈ 1 cSt (protože hustota vody je ≈ 1 g/cm³). Ale pro motorový olej (hustota ≈ 0.9) platí 90 cP = 100 cSt. Náš převodník blokuje křížové převody, aby se předešlo chybám. Použijte tento vzorec: cSt = cP / (hustota v g/cm³).

Třídy viskozity SAE specifikují rozsahy kinematické viskozity. '10W' znamená, že splňuje požadavky na tok při nízké teplotě (W = winter, testováno při 0°F). '30' znamená, že splňuje požadavky na viskozitu při vysoké teplotě (testováno při 212°F). Vícestupňové oleje (jako 10W-30) používají aditiva k udržení viskozity v různých teplotách, na rozdíl od jednostupňových olejů (SAE 30), které se při zahřátí dramaticky ztenčují.

Sayboltovy univerzální sekundy (SUS) měří, jak dlouho trvá, než 60 ml tekutiny vyteče kalibrovaným otvorem. Empirický vzorec je: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (pro SUS > 32). Například 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS se stále používá v ropných specifikacích, i když je to starší metoda. Moderní laboratoře používají kinematické viskozimetry, které přímo měří cSt podle ASTM D445.

Vyšší teplota dává molekulám více kinetické energie, což jim umožňuje snadněji klouzat jedna přes druhou. U kapalin viskozita typicky klesá o 2-10 % na °C. Motorový olej při 20°C může mít 200 cP, ale při 100°C pouze 15 cP (13násobný pokles!). Viskozitní index (VI) měří tuto teplotní citlivost: oleje s vysokým VI (100+) si lépe udržují viskozitu, oleje s nízkým VI (<50) se při zahřátí dramaticky ztenčují.

Většina hydraulických systémů funguje nejlépe při 25-50 cSt @ 40°C. Příliš nízká (<10 cSt) způsobuje vnitřní úniky a opotřebení. Příliš vysoká (>100 cSt) způsobuje pomalou reakci, vysokou spotřebu energie a hromadění tepla. Zkontrolujte specifikaci výrobce vašeho čerpadla—lopatková čerpadla preferují 25-35 cSt, pístová čerpadla tolerují 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) je nejběžnější univerzální hydraulický olej.

Neexistuje teoretické maximum, ale praktická měření se stávají obtížná nad 1 milion cP (1000 Pa·s). Asfalt/smůla může dosáhnout 100 miliard Pa·s. Některé taveniny polymerů přesahují 1 milion Pa·s. Při extrémních viskozitách se hranice mezi kapalinou a pevnou látkou stírá—tyto materiály vykazují jak viskózní tok (jako kapaliny), tak elastickou obnovu (jako pevné látky), což se nazývá viskoelasticita.

Poise je na počest Jeana Léonarda Marie Poiseuille (1840. léta), který studoval průtok krve v kapilárách. Stokes je na počest George Gabriela Stokese (1850. léta), který odvodil rovnice pro viskózní tok a dokázal vztah mezi dynamickou a kinematickou viskozitou. Reyn (libra-síla sekunda na čtvereční palec) je pojmenován po Osbourne Reynoldsovi (1880. léta), známém díky Reynoldsovu číslu v dynamice tekutin.