Mõõdab sisemist vastupanu nihkepingele

Dünaamiline viskoossus (nimetatakse ka absoluutseks viskoossuseks) kvantifitseerib, kui palju jõudu on vaja ühe vedelikukihi liigutamiseks teise peal. See on vedeliku enda sisemine omadus, mis ei sõltu tihedusest. Suuremad väärtused tähendavad suuremat vastupanu.

Valem: τ = μ × (du/dy), kus τ = nihkepinge, du/dy = kiiruse gradient

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

Dünaamiline viskoossus jagatud tihedusega

Kinemaatiline viskoossus mõõdab, kui kiiresti vedelik voolab raskusjõu mõjul. See võtab arvesse nii sisemist vastupanu (dünaamiline viskoossus) kui auch massi ruumalaühiku kohta (tihedus). Kasutatakse, kui raskusjõu mõjul toimuv voolamine on oluline, näiteks õli äravoolul või vedeliku valamisel.

Valem: ν = μ / ρ, kus μ = dünaamiline viskoossus, ρ = tihedus

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

• μ (dünaamiline) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (tihedus) = 998.2 kg/m³
• ν (kinemaatiline) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Suhe: ν/μ ≈ 1.0 (vesi on võrdlusalus)

• μ (dünaamiline) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (tihedus) = 850 kg/m³
• ν (kinemaatiline) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Märkus: Kinemaatiline on 18% kõrgem kui dünaamiline (madalama tiheduse tõttu)

• μ (dünaamiline) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (tihedus) = 1,261 kg/m³
• ν (kinemaatiline) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Märkus: Väga viskoosne—1,400 korda paksem kui vesi

• μ (dünaamiline) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (tihedus) = 1.204 kg/m³
• ν (kinemaatiline) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Märkus: Madal dünaamiline, kõrge kinemaatiline (gaasidel on madal tihedus)

ASTM D88 standard, laialdaselt kasutusel Põhja-Ameerikas naftatoodete jaoks

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (kehtib SUS > 32 korral)

• Mõõdetud kindlatel temperatuuridel: 100°F (37.8°C) või 210°F (98.9°C)
• Tavaline vahemik: 31-1000+ SUS
• Näide: SAE 30 õli ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) variant väga viskoossete vedelike jaoks: ×10 suurem ava

Briti IP 70 standard, levinud Ühendkuningriigis ja endises Rahvaste Ühenduses

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (kehtib RW1 > 34 korral)

• Mõõdetud 70°F (21.1°C), 100°F või 140°F juures
• Redwood Nr. 2 variant paksemate vedelike jaoks
• Teisendus: RW1 ≈ SUS × 1.15 (ligikaudne)
• Suures osas asendatud ISO standarditega, kuid vanemates spetsifikatsioonides viidatakse endiselt

DIN 51560 Saksa standard, kasutatakse Euroopas ja naftatööstuses

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (kehtib °E > 1.2 korral)

• Mõõdetud 20°C, 50°C või 100°C juures
• °E = 1.0 vee jaoks @ 20°C (definitsiooni järgi)
• Tavaline vahemik: 1.0-20°E
• Näide: Diislikütus ≈ 3-5°E @ 20°C

Maailma kõige kauem kestnud laborikatse (alates 1927. aastast) Queenslandi Ülikoolis näitab pigi (tõrva) voolamist läbi lehtri. See näeb välja tahke, kuid on tegelikult väga kõrge viskoossusega vedelik – 100 miljardit korda viskoossem kui vesi! 94 aasta jooksul on langenud vaid 9 tilka.

Basaltne laava (madal viskoossus, 10-100 Pa·s) tekitab õrnu Havai-stiilis purskeid voolavate jõgedega. Ränihapperikas laava (kõrge viskoossus, 100,000+ Pa·s) tekitab plahvatuslikke Mount St. Helensi-stiilis purskeid, sest gaasid ei pääse välja. Viskoossus sõna otseses mõttes kujundab vulkaanilisi mägesid.

Veri on 3-4 korda viskoossem kui vesi (3-4 cP @ 37°C) punaste vereliblede tõttu. Kõrge vere viskoossus suurendab insuldi/südameataki riski. Madala annusega aspiriin vähendab viskoossust, takistades trombotsüütide agregatsiooni. Vere viskoossuse testimine võib ennustada südame-veresoonkonna haigusi.

Vastupidiselt levinud müüdile ei ole vanad aknad voolamise tõttu alt paksemad. Klaasi viskoossus toatemperatuuril on 10²⁰ Pa·s (triljon triljonit korda suurem kui veel). 1 mm voolamiseks kuluks kauem kui universumi vanus. See on tõeline tahke aine, mitte aeglane vedelik.

SAE 10W-30 tähendab: 10W = talvine viskoossus @ 0°F (madala temperatuuriga voolavus), 30 = viskoossus @ 212°F (kaitse töötemperatuuril). 'W' tähistab talve (winter), mitte kaalu (weight). Mitmeastmelised õlid kasutavad polümeere, mis külmas kokku tõmbuvad (madal viskoossus) ja kuumas paisuvad (säilitavad viskoossuse).

Vesikirbud kasutavad pindpinevust, kuid ka vee viskoossust. Nende jalgade liigutused tekitavad keeriseid, mis suruvad vastu viskoosset takistust, lükates neid edasi. Nullviskoossusega vedelikus (teoreetiliselt) ei saaks nad liikuda – nad libiseksid ilma haardumiseta.

Isaac Newton kirjeldab viskoossust teoses Principia Mathematica. Tutvustab 'sisemise hõõrdumise' mõistet vedelikes.

Jean Poiseuille uurib verevoolu kapillaarides. Tuletab Poiseuille' seaduse, mis seob voolukiiruse viskoossusega.

George Stokes tuletab viskoosse voolu võrrandid. Tõestab seose dünaamilise ja kinemaatilise viskoossuse vahel.

Osborne Reynolds tutvustab Reynoldsi arvu. Seob viskoossuse voolurežiimiga (laminaarne vs turbulentne).

Saybolt viskosimeeter standardiseeritakse USAs. Väljavoolutopsi meetodist saab naftatööstuse standard.

Poise ja stokes nimetatakse CGS-ühikuteks. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s muutuvad standardiks.

Pigi tilkumise eksperiment algab Queenslandi Ülikoolis. See kestab siiani – kõige kauem kestnud laborikatse.

SI võtab standardühikutena kasutusele Pa·s ja m²/s. Centipoise (cP) ja centistokes (cSt) jäävad levinuks.

ASTM D445 standardiseerib kinemaatilise viskoossuse mõõtmise. Kapillaarviskosimeeter muutub tööstusstandardiks.

Pöörlevad viskosimeetrid võimaldavad mõõta mitte-Newtoni vedelikke. Oluline värvide, polümeeride ja toiduainete jaoks.

Digitaalsed viskosimeetrid automatiseerivad mõõtmise. Temperatuurikontrolliga vannid tagavad täpsuse ±0.01 cSt.

Mootoriõli, hüdraulikavedeliku ja laagrimäärde valik:

• SAE klassid: 10W-30 tähendab 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (kinemaatilise viskoossuse vahemikud)
• ISO VG klassid: VG 32, VG 46, VG 68 (kinemaatiline viskoossus @ 40°C cSt-des)
• Laagrite valik: Liiga vedel = kulumine, liiga paks = hõõrdumine/kuumus
• Viskoossusindeks (VI): Mõõdab temperatuuritundlikkust (kõrgem = parem)
• Mitmeastmelised õlid: Lisandid säilitavad viskoossuse erinevatel temperatuuridel
• Hüdraulikasüsteemid: Optimaalseks jõudluseks tavaliselt 32-68 cSt @ 40°C

Kütuse, toornafta ja rafineerimise viskoossuse spetsifikatsioonid:

• Raske kütteõli: Mõõdetud cSt-des @ 50°C (pumpamiseks tuleb kuumutada)
• Diisel: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590 spetsifikatsioon)
• Toornafta klassifikatsioon: Kerge (<10 cSt), keskmine, raske (>50 cSt)
• Torujuhtme vool: Viskoossus määrab pumpamise võimsusvajadused
• Punkrikütuse klassid: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Rafineerimisprotsess: Viskoossuse murdmine vähendab raskeid fraktsioone

Kvaliteedikontroll ja protsesside optimeerimine:

• Mee klassifitseerimine: 2,000-10,000 cP @ 20°C (sõltuvalt niiskusest)
• Siirupi konsistents: Vahtrasiirup 150-200 cP, maisisiirup 2,000+ cP
• Piimatooted: Koore viskoossus mõjutab tekstuuri ja suutunnetust
• Šokolaad: 10,000-20,000 cP @ 40°C (tempereerimisprotsess)
• Jookide gaseerimine: Viskoossus mõjutab mullide teket
• Toiduõli: 50-100 cP @ 20°C (suitsupunkt on seotud viskoossusega)

Värvid, liimid, polümeerid ja protsesside kontroll:

• Värvi viskoossus: 70-100 KU (Krebsi ühikud) pealekandmise konsistentsi tagamiseks
• Pihustuskate: Tavaliselt 20-50 cP (liiga paks ummistab, liiga vedel voolab)
• Liimid: 500-50,000 cP sõltuvalt pealekandmismeetodist
• Polümeeride sulamid: 100-100,000 Pa·s (ekstrusioon/vormimine)
• Trükivärvid: 50-150 cP fleksograafia jaoks, 1-5 P ofsettrüki jaoks
• Kvaliteedikontroll: Viskoossus näitab partii konsistentsi ja säilivusaega

Dünaamiline viskoossus (Pa·s, poise) mõõdab vedeliku sisemist vastupanu nihkele – selle absoluutset 'paksust'. Kinemaatiline viskoossus (m²/s, stokes) on dünaamiline viskoossus jagatud tihedusega – kui kiiresti see raskusjõu mõjul voolab. Nende vahel teisendamiseks on vaja tihedust: ν = μ/ρ. Mõelge nii: meel on kõrge dünaamiline viskoossus (see on paks), kuid ka elavhõbedal on kõrge kinemaatiline viskoossus, kuigi see on 'vedel' (sest see on väga tihe).

Mitte ilma vedeliku tihedust teadmata mõõtmistemperatuuril. Vee puhul umbes 20°C juures on 1 cP ≈ 1 cSt (sest vee tihedus on ≈ 1 g/cm³). Aga mootoriõli puhul (tihedus ≈ 0.9) on 90 cP = 100 cSt. Meie teisendaja blokeerib vigade vältimiseks tüüpidevahelisi teisendusi. Kasutage seda valemit: cSt = cP / (tihedus g/cm³).

SAE viskoossusklassid määravad kinemaatilise viskoossuse vahemikud. '10W' tähendab, et see vastab madala temperatuuriga voolavusnõuetele (W = winter, testitud 0°F juures). '30' tähendab, et see vastab kõrge temperatuuriga viskoossusnõuetele (testitud 212°F juures). Mitmeastmelised õlid (nagu 10W-30) kasutavad lisandeid viskoossuse säilitamiseks erinevatel temperatuuridel, erinevalt üheastmelistest õlidest (SAE 30), mis kuumenedes dramaatiliselt vedelduvad.

Saybolt Universaalsed Sekundid (SUS) mõõdavad, kui kaua kulub 60 ml vedelikul kalibreeritud ava kaudu välja voolamiseks. Empiiriline valem on: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (SUS > 32 korral). Näiteks 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS-i kasutatakse endiselt naftaspetsifikatsioonides, kuigi see on vanem meetod. Kaasaegsed laborid kasutavad kinemaatilisi viskosimeetreid, mis mõõdavad cSt otse vastavalt ASTM D445-le.

Kõrgem temperatuur annab molekulidele rohkem kineetilist energiat, võimaldades neil üksteisest kergemini mööda libiseda. Vedelike puhul langeb viskoossus tavaliselt 2-10% iga °C kohta. Mootoriõli 20°C juures võib olla 200 cP, aga 100°C juures ainult 15 cP (13-kordne langus!). Viskoossusindeks (VI) mõõdab seda temperatuuritundlikkust: kõrge VI-ga õlid (100+) säilitavad viskoossuse paremini, madala VI-ga õlid (<50) vedelduvad kuumenedes dramaatiliselt.

Enamik hüdraulikasüsteeme töötab kõige paremini 25-50 cSt @ 40°C juures. Liiga madal (<10 cSt) põhjustab sisemisi lekkeid ja kulumist. Liiga kõrge (>100 cSt) põhjustab aeglast reageerimist, suurt energiakulu ja soojuse kogunemist. Kontrollige oma pumba tootja spetsifikatsiooni – labapumbad eelistavad 25-35 cSt, kolbpumbad taluvad 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) on kõige levinum üldotstarbeline hüdraulikaõli.

Teoreetilist maksimumi ei ole, kuid praktilised mõõtmised muutuvad keeruliseks üle 1 miljoni cP (1000 Pa·s). Bituumen/pigi võib ulatuda 100 miljardi Pa·s-ni. Mõned polümeersulamid ületavad 1 miljonit Pa·s. Äärmuslike viskoossuste korral hägustub piir vedela ja tahke aine vahel – need materjalid näitavad nii viskoosset voolu (nagu vedelikud) kui ka elastset taastumist (nagu tahked ained), mida nimetatakse viskoelastsuseks.

Poise austab Jean Léonard Marie Poiseuille'd (1840. aastad), kes uuris verevoolu kapillaarides. Stokes austab George Gabriel Stokes'i (1850. aastad), kes tuletas viskoosse voolu võrrandid ja tõestas seose dünaamilise ja kinemaatilise viskoossuse vahel. Reyn (nael-jõud-sekund ruuttolli kohta) on nimetatud Osbourne Reynoldsi (1880. aastad) järgi, kes on kuulus Reynoldsi arvu poolest vedelike dünaamikas.