Μετρά την εσωτερική αντίσταση στη διατμητική τάση

Το δυναμικό ιξώδες (ονομάζεται επίσης απόλυτο ιξώδες) ποσοτικοποιεί πόση δύναμη απαιτείται για να μετακινηθεί ένα στρώμα ρευστού πάνω από ένα άλλο. Είναι η εγγενής ιδιότητα του ίδιου του ρευστού, ανεξάρτητη από την πυκνότητα. Υψηλότερες τιμές σημαίνουν μεγαλύτερη αντίσταση.

Τύπος: τ = μ × (du/dy) όπου τ = διατμητική τάση, du/dy = βαθμίδα ταχύτητας

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

Δυναμικό ιξώδες διαιρούμενο με την πυκνότητα

Το κινηματικό ιξώδες μετρά πόσο γρήγορα ρέει ένα ρευστό υπό την επίδραση της βαρύτητας. Λαμβάνει υπόψη τόσο την εσωτερική αντίσταση (δυναμικό ιξώδες) όσο και τη μάζα ανά όγκο (πυκνότητα). Χρησιμοποιείται όταν η ροή που καθοδηγείται από τη βαρύτητα είναι σημαντική, όπως η αποστράγγιση λαδιού ή η έκχυση υγρού.

Τύπος: ν = μ / ρ όπου μ = δυναμικό ιξώδες, ρ = πυκνότητα

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

• μ (δυναμικό) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (πυκνότητα) = 998.2 kg/m³
• ν (κινηματικό) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Λόγος: ν/μ ≈ 1.0 (το νερό είναι η αναφορά)

• μ (δυναμικό) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (πυκνότητα) = 850 kg/m³
• ν (κινηματικό) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Σημείωση: Το κινηματικό είναι 18% υψηλότερο από το δυναμικό (λόγω χαμηλότερης πυκνότητας)

• μ (δυναμικό) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (πυκνότητα) = 1,261 kg/m³
• ν (κινηματικό) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Σημείωση: Πολύ ιξώδες—1,400× πιο παχύρρευστο από το νερό

• μ (δυναμικό) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (πυκνότητα) = 1.204 kg/m³
• ν (κινηματικό) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Σημείωση: Χαμηλό δυναμικό, υψηλό κινηματικό (τα αέρια έχουν χαμηλή πυκνότητα)

Πρότυπο ASTM D88, ευρέως διαδεδομένο στη Βόρεια Αμερική για προϊόντα πετρελαίου

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (ισχύει για SUS > 32)

• Μετράται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες: 100°F (37.8°C) ή 210°F (98.9°C)
• Κοινό εύρος: 31-1000+ SUS
• Παράδειγμα: Λάδι SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Παραλλαγή Saybolt Furol (SFS) για πολύ ιξώδη ρευστά: ×10 μεγαλύτερο στόμιο

Βρετανικό πρότυπο IP 70, κοινό στο Ηνωμένο Βασίλειο και την πρώην Κοινοπολιτεία

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (ισχύει για RW1 > 34)

• Μετράται σε 70°F (21.1°C), 100°F, ή 140°F
• Παραλλαγή Redwood No. 2 για πιο παχύρρευστα ρευστά
• Μετατροπή: RW1 ≈ SUS × 1.15 (κατά προσέγγιση)
• Σε μεγάλο βαθμό αντικαταστάθηκε από πρότυπα ISO αλλά εξακολουθεί να αναφέρεται σε παλαιότερες προδιαγραφές

Γερμανικό πρότυπο DIN 51560, χρησιμοποιείται στην Ευρώπη και τη βιομηχανία πετρελαίου

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (ισχύει για °E > 1.2)

• Μετράται σε 20°C, 50°C, ή 100°C
• °E = 1.0 για το νερό @ 20°C (εξ ορισμού)
• Κοινό εύρος: 1.0-20°E
• Παράδειγμα: Καύσιμο ντίζελ ≈ 3-5°E @ 20°C

Το μακροβιότερο εργαστηριακό πείραμα στον κόσμο (από το 1927) στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ δείχνει την πίσσα να ρέει μέσα από ένα χωνί. Φαίνεται στερεή, αλλά στην πραγματικότητα είναι ένα υγρό με πολύ υψηλό ιξώδες—100 δισεκατομμύρια φορές πιο ιξώδες από το νερό! Μόνο 9 σταγόνες έχουν πέσει σε 94 χρόνια.

Η βασαλτική λάβα (χαμηλό ιξώδες, 10-100 Pa·s) δημιουργεί ήπιες εκρήξεις τύπου Χαβάης με ρέοντες ποταμούς. Η ρυολιθική λάβα (υψηλό ιξώδες, 100,000+ Pa·s) δημιουργεί εκρηκτικές εκρήξεις τύπου Όρους της Αγίας Ελένης επειδή τα αέρια δεν μπορούν να διαφύγουν. Το ιξώδες κυριολεκτικά διαμορφώνει τα ηφαιστειακά βουνά.

Το αίμα είναι 3-4 φορές πιο ιξώδες από το νερό (3-4 cP @ 37°C) λόγω των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Το υψηλό ιξώδες του αίματος αυξάνει τον κίνδυνο εγκεφαλικού/καρδιακής προσβολής. Η ασπιρίνη σε χαμηλή δόση μειώνει το ιξώδες εμποδίζοντας τη συσσώρευση των αιμοπεταλίων. Η εξέταση του ιξώδους του αίματος μπορεί να προβλέψει καρδιαγγειακές παθήσεις.

Σε αντίθεση με τον δημοφιλή μύθο, τα παλιά παράθυρα δεν είναι παχύτερα στο κάτω μέρος λόγω της ροής. Το ιξώδες του γυαλιού σε θερμοκρασία δωματίου είναι 10²⁰ Pa·s (1 τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από του νερού). Για να ρεύσει 1mm θα χρειαζόταν περισσότερος χρόνος από την ηλικία του σύμπαντος. Είναι ένα αληθινό στερεό, όχι ένα αργό υγρό.

SAE 10W-30 σημαίνει: 10W = χειμερινό ιξώδες @ 0°F (ροή σε χαμηλή θερμοκρασία), 30 = ιξώδες @ 212°F (προστασία σε θερμοκρασία λειτουργίας). Το 'W' είναι για το χειμώνα (winter), όχι για το βάρος (weight). Τα πολύτυπα λάδια χρησιμοποιούν πολυμερή που συσπειρώνονται όταν είναι κρύα (χαμηλό ιξώδες) και διαστέλλονται όταν είναι ζεστά (διατηρούν το ιξώδες).

Οι νερόμυγες εκμεταλλεύονται την επιφανειακή τάση, αλλά αξιοποιούν και το ιξώδες του νερού. Οι κινήσεις των ποδιών τους δημιουργούν δίνες που ωθούν ενάντια στην ιξώδη αντίσταση, προωθώντας τα προς τα εμπρός. Σε ένα ρευστό με μηδενικό ιξώδες (θεωρητικά), δεν θα μπορούσαν να κινηθούν—θα γλιστρούσαν χωρίς πρόσφυση.

Ο Ισαάκ Νεύτων περιγράφει το ιξώδες στο Principia Mathematica. Εισάγει την έννοια της «εσωτερικής τριβής» στα ρευστά.

Ο Jean Poiseuille μελετά τη ροή του αίματος στα τριχοειδή αγγεία. Παράγει τον Νόμο του Poiseuille που συνδέει τον ρυθμό ροής με το ιξώδες.

Ο George Stokes παράγει εξισώσεις για την ιξώδη ροή. Αποδεικνύει τη σχέση μεταξύ δυναμικού και κινηματικού ιξώδους.

Ο Osborne Reynolds εισάγει τον αριθμό Reynolds. Συνδέει το ιξώδες με το καθεστώς ροής (στρωτή έναντι τυρβώδους).

Το ιξωδόμετρο Saybolt τυποποιείται στις ΗΠΑ. Η μέθοδος του κυπέλλου εκροής γίνεται το πρότυπο της βιομηχανίας πετρελαίου.

Τα Poise και stokes ονομάζονται ως μονάδες CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s γίνονται πρότυπα.

Το πείραμα της σταγόνας πίσσας ξεκινά στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ. Εξακολουθεί να διεξάγεται—το μακροβιότερο εργαστηριακό πείραμα όλων των εποχών.

Το SI υιοθετεί τα Pa·s και m²/s ως πρότυπες μονάδες. Τα Centipoise (cP) και centistokes (cSt) παραμένουν κοινά.

Το ASTM D445 τυποποιεί τη μέτρηση του κινηματικού ιξώδους. Το τριχοειδές ιξωδόμετρο γίνεται το βιομηχανικό πρότυπο.

Τα περιστροφικά ιξωδόμετρα επιτρέπουν τη μέτρηση μη-Νευτώνειων ρευστών. Σημαντικό για χρώματα, πολυμερή, τρόφιμα.

Τα ψηφιακά ιξωδόμετρα αυτοματοποιούν τη μέτρηση. Τα λουτρά με ελεγχόμενη θερμοκρασία εξασφαλίζουν ακρίβεια ±0.01 cSt.

Επιλογή λαδιού κινητήρα, υδραυλικού υγρού και λίπανσης ρουλεμάν:

• Βαθμοί SAE: 10W-30 σημαίνει 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (εύρη κινηματικού ιξώδους)
• Βαθμοί ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (κινηματικό ιξώδες @ 40°C σε cSt)
• Επιλογή ρουλεμάν: Πολύ λεπτό = φθορά, πολύ παχύ = τριβή/θερμότητα
• Δείκτης ιξώδους (VI): Μετρά την ευαισθησία στη θερμοκρασία (υψηλότερος = καλύτερος)
• Πολύτυπα λάδια: Τα πρόσθετα διατηρούν το ιξώδες σε διάφορες θερμοκρασίες
• Υδραυλικά συστήματα: Τυπικά 32-68 cSt @ 40°C για βέλτιστη απόδοση

Προδιαγραφές ιξώδους για καύσιμα, αργό πετρέλαιο και διύλιση:

• Βαρύ μαζούτ: Μετράται σε cSt @ 50°C (πρέπει να θερμανθεί για να αντληθεί)
• Ντίζελ: 2-4.5 cSt @ 40°C (προδιαγραφή EN 590)
• Ταξινόμηση αργού πετρελαίου: Ελαφρύ (<10 cSt), μεσαίο, βαρύ (>50 cSt)
• Ροή σε αγωγούς: Το ιξώδες καθορίζει τις απαιτήσεις ισχύος άντλησης
• Βαθμοί καυσίμου πλοίων: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Διεργασία διύλισης: Η ιξωδόλυση μειώνει τα βαρέα κλάσματα

Έλεγχος ποιότητας και βελτιστοποίηση διεργασιών:

• Ταξινόμηση μελιού: 2,000-10,000 cP @ 20°C (ανάλογα με την υγρασία)
• Συνοχή σιροπιού: Σιρόπι σφενδάμου 150-200 cP, σιρόπι καλαμποκιού 2,000+ cP
• Γαλακτοκομικά: Το ιξώδες της κρέμας επηρεάζει την υφή και την αίσθηση στο στόμα
• Σοκολάτα: 10,000-20,000 cP @ 40°C (διεργασία σκλήρυνσης)
• Ανθράκωση ποτών: Το ιξώδες επηρεάζει τον σχηματισμό φυσαλίδων
• Μαγειρικό λάδι: 50-100 cP @ 20°C (το σημείο καπνού συσχετίζεται με το ιξώδες)

Χρώματα, κόλλες, πολυμερή και έλεγχος διεργασιών:

• Ιξώδες χρώματος: 70-100 KU (μονάδες Krebs) για συνοχή εφαρμογής
• Επίστρωση με ψεκασμό: Τυπικά 20-50 cP (πολύ παχύ φράζει, πολύ λεπτό τρέχει)
• Κόλλες: 500-50,000 cP ανάλογα με τη μέθοδο εφαρμογής
• Τήγματα πολυμερών: 100-100,000 Pa·s (εξώθηση/χύτευση)
• Μελάνια εκτύπωσης: 50-150 cP για φλεξογραφία, 1-5 P για όφσετ
• Έλεγχος ποιότητας: Το ιξώδες υποδεικνύει τη συνοχή της παρτίδας και τη διάρκεια ζωής

Το δυναμικό ιξώδες (Pa·s, poise) μετρά την εσωτερική αντίσταση του ρευστού στη διάτμηση—την απόλυτη «παχύρρευστη» του. Το κινηματικό ιξώδες (m²/s, stokes) είναι το δυναμικό ιξώδες διαιρούμενο με την πυκνότητα—πόσο γρήγορα ρέει υπό τη βαρύτητα. Χρειάζεστε την πυκνότητα για να μετατρέψετε μεταξύ τους: ν = μ/ρ. Σκεφτείτε το έτσι: το μέλι έχει υψηλό δυναμικό ιξώδες (είναι παχύρρευστο), αλλά και ο υδράργυρος έχει υψηλό κινηματικό ιξώδες παρόλο που είναι «λεπτόρρευστος» (επειδή είναι πολύ πυκνός).

Όχι χωρίς να γνωρίζετε την πυκνότητα του ρευστού στη θερμοκρασία μέτρησης. Για νερό κοντά στους 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (επειδή η πυκνότητα του νερού είναι ≈ 1 g/cm³). Αλλά για λάδι κινητήρα (πυκνότητα ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Ο μετατροπέας μας μπλοκάρει τις μετατροπές διασταυρούμενου τύπου για την αποφυγή σφαλμάτων. Χρησιμοποιήστε αυτόν τον τύπο: cSt = cP / (πυκνότητα σε g/cm³).

Οι βαθμοί ιξώδους SAE καθορίζουν εύρη κινηματικού ιξώδους. '10W' σημαίνει ότι πληροί τις απαιτήσεις ροής σε χαμηλή θερμοκρασία (W = winter, δοκιμασμένο στους 0°F). '30' σημαίνει ότι πληροί τις απαιτήσεις ιξώδους σε υψηλή θερμοκρασία (δοκιμασμένο στους 212°F). Τα πολύτυπα λάδια (όπως το 10W-30) χρησιμοποιούν πρόσθετα για να διατηρήσουν το ιξώδες σε διάφορες θερμοκρασίες, σε αντίθεση με τα μονότυπα λάδια (SAE 30) που γίνονται δραματικά πιο λεπτόρρευστα όταν ζεσταίνονται.

Τα Saybolt Universal Seconds (SUS) μετρούν πόσο χρόνο χρειάζονται 60mL ρευστού για να αποστραγγιστούν μέσα από ένα βαθμονομημένο στόμιο. Ο εμπειρικός τύπος είναι: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (για SUS > 32). Για παράδειγμα, 100 SUS ≈ 21 cSt. Τα SUS εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε προδιαγραφές πετρελαίου παρόλο που είναι μια παλαιότερη μέθοδος. Τα σύγχρονα εργαστήρια χρησιμοποιούν κινηματικά ιξωδόμετρα που μετρούν απευθείας cSt σύμφωνα με το ASTM D445.

Η υψηλότερη θερμοκρασία δίνει στα μόρια περισσότερη κινητική ενέργεια, επιτρέποντάς τους να γλιστρούν ευκολότερα το ένα δίπλα στο άλλο. Για τα υγρά, το ιξώδες συνήθως πέφτει 2-10% ανά °C. Το λάδι κινητήρα στους 20°C μπορεί να είναι 200 cP, αλλά μόνο 15 cP στους 100°C (μια μείωση 13 φορές!). Ο Δείκτης Ιξώδους (VI) μετρά αυτή την ευαισθησία στη θερμοκρασία: τα λάδια με υψηλό VI (100+) διατηρούν καλύτερα το ιξώδες τους, τα λάδια με χαμηλό VI (<50) γίνονται δραματικά πιο λεπτόρρευστα όταν θερμαίνονται.

Τα περισσότερα υδραυλικά συστήματα λειτουργούν καλύτερα στα 25-50 cSt @ 40°C. Πολύ χαμηλό (<10 cSt) προκαλεί εσωτερικές διαρροές και φθορά. Πολύ υψηλό (>100 cSt) προκαλεί αργή απόκριση, υψηλή κατανάλωση ενέργειας και συσσώρευση θερμότητας. Ελέγξτε τις προδιαγραφές του κατασκευαστή της αντλίας σας—οι πτερυγιοφόρες αντλίες προτιμούν 25-35 cSt, οι εμβολοφόρες αντλίες ανέχονται 35-70 cSt. Το ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) είναι το πιο κοινό υδραυλικό λάδι γενικής χρήσης.

Δεν υπάρχει θεωρητικό μέγιστο, αλλά οι πρακτικές μετρήσεις γίνονται δύσκολες πάνω από 1 εκατομμύριο cP (1000 Pa·s). Η άσφαλτος/πίσσα μπορεί να φτάσει τα 100 δισεκατομμύρια Pa·s. Ορισμένα τήγματα πολυμερών ξεπερνούν το 1 εκατομμύριο Pa·s. Σε ακραία ιξώδη, το όριο μεταξύ υγρού και στερεού θολώνει—αυτά τα υλικά παρουσιάζουν τόσο ιξώδη ροή (όπως τα υγρά) όσο και ελαστική ανάκτηση (όπως τα στερεά), που ονομάζεται ιξωδοελαστικότητα.

Το Poise τιμά τον Jean Léonard Marie Poiseuille (1840s), ο οποίος μελέτησε τη ροή του αίματος στα τριχοειδή αγγεία. Το Stokes τιμά τον George Gabriel Stokes (1850s), ο οποίος παρήγαγε τις εξισώσεις για την ιξώδη ροή και απέδειξε τη σχέση μεταξύ δυναμικού και κινηματικού ιξώδους. Ένα reyn (λίβρα-δύναμη δευτερόλεπτο ανά τετραγωνική ίντσα) πήρε το όνομά του από τον Osbourne Reynolds (1880s), διάσημο για τον αριθμό Reynolds στη δυναμική των ρευστών.