Mjeri unutarnji otpor na smicanje

Dinamička viskoznost (također nazvana apsolutna viskoznost) kvantificira koliko je sile potrebno da se jedan sloj fluida pomjeri preko drugog. To je suštinsko svojstvo samog fluida, neovisno o gustoći. Veće vrijednosti znače veći otpor.

Formula: τ = μ × (du/dy) gdje je τ = napon smicanja, du/dy = gradijent brzine

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

Dinamička viskoznost podijeljena sa gustoćom

Kinematička viskoznost mjeri koliko brzo fluid teče pod utjecajem gravitacije. Uzima u obzir i unutarnji otpor (dinamička viskoznost) i masu po volumenu (gustoću). Koristi se kada je važan protok pod utjecajem gravitacije, poput istjecanja ulja ili izlijevanja tekućine.

Formula: ν = μ / ρ gdje je μ = dinamička viskoznost, ρ = gustoća

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

• μ (dinamička) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (gustoća) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Omjer: ν/μ ≈ 1.0 (voda je referenca)

• μ (dinamička) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (gustoća) = 850 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Napomena: Kinematička je 18% veća od dinamičke (zbog niže gustoće)

• μ (dinamička) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (gustoća) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Napomena: Vrlo viskozno—1,400× gušće od vode

• μ (dinamička) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (gustoća) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Napomena: Niska dinamička, visoka kinematička (plinovi imaju nisku gustoću)

ASTM D88 standard, široko korišten u Sjevernoj Americi za naftne derivate

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (vrijedi za SUS > 32)

• Mjereno na specifičnim temperaturama: 100°F (37.8°C) ili 210°F (98.9°C)
• Uobičajeni raspon: 31-1000+ SUS
• Primjer: SAE 30 ulje ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) varijanta za vrlo viskozne fluide: ×10 veći otvor

Britanski IP 70 standard, uobičajen u UK i bivšem Commonwealthu

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (vrijedi za RW1 > 34)

• Mjereno na 70°F (21.1°C), 100°F, ili 140°F
• Redwood br. 2 varijanta za gušće fluide
• Konverzija: RW1 ≈ SUS × 1.15 (približno)
• Uglavnom zamijenjen ISO standardima, ali se i dalje navodi u starijim specifikacijama

DIN 51560 njemački standard, koristi se u Europi i naftnoj industriji

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (vrijedi za °E > 1.2)

• Mjereno na 20°C, 50°C, ili 100°C
• °E = 1.0 za vodu @ 20°C (po definiciji)
• Uobičajeni raspon: 1.0-20°E
• Primjer: Dizel gorivo ≈ 3-5°E @ 20°C

Najduži laboratorijski eksperiment na svijetu (od 1927.) na Sveučilištu u Queenslandu prikazuje smolu (katran) kako teče kroz lijevak. Izgleda čvrsto, ali je zapravo tekućina vrlo visoke viskoznosti—100 milijardi puta viskoznija od vode! Samo 9 kapi je palo u 94 godine.

Bazaltna lava (niska viskoznost, 10-100 Pa·s) stvara blage erupcije havajskog stila s tekućim rijekama. Riolitska lava (visoka viskoznost, 100,000+ Pa·s) stvara eksplozivne erupcije stila planine St. Helens jer plinovi ne mogu pobjeći. Viskoznost doslovno oblikuje vulkanske planine.

Krv je 3-4× viskoznija od vode (3-4 cP @ 37°C) zbog crvenih krvnih zrnaca. Visoka viskoznost krvi povećava rizik od moždanog/srčanog udara. Niske doze aspirina smanjuju viskoznost sprječavajući agregaciju trombocita. Testiranje viskoznosti krvi može predvidjeti kardiovaskularne bolesti.

Suprotno popularnom mitu, stari prozori nisu deblji na dnu zbog protoka. Viskoznost stakla na sobnoj temperaturi je 10²⁰ Pa·s (trilijun trilijuna puta veća od vode). Da bi poteklo 1mm trebalo bi više vremena od starosti svemira. To je pravo čvrsto tijelo, a ne spora tekućina.

SAE 10W-30 znači: 10W = zimska viskoznost @ 0°F (protok na niskoj temperaturi), 30 = viskoznost @ 212°F (zaštita na radnoj temperaturi). 'W' je za zimu (winter), a ne za težinu (weight). Višegradna ulja koriste polimere koji se skupljaju na hladnoći (niska viskoznost) i šire na toplini (održavaju viskoznost).

Gazači po vodi iskorištavaju površinsku napetost, ali također koriste i viskoznost vode. Njihovi pokreti nogu stvaraju vrtloge koji se opiru viskoznom otporu, pokrećući ih naprijed. U fluidu nulte viskoznosti (teoretski), ne bi se mogli kretati—klizali bi se bez trenja.

Isaac Newton opisuje viskoznost u Principia Mathematica. Uvodi koncept 'unutarnjeg trenja' u fluidima.

Jean Poiseuille proučava protok krvi u kapilarama. Izvodi Poiseuilleov zakon koji povezuje brzinu protoka s viskoznošću.

George Stokes izvodi jednadžbe za viskozni protok. Dokazuje vezu između dinamičke i kinematičke viskoznosti.

Osborne Reynolds uvodi Reynoldsov broj. Povezuje viskoznost s režimom protoka (laminarni naspram turbulentnog).

Sayboltov viskozimetar standardiziran u SAD-u. Metoda ispusne čaše postaje industrijski standard za naftu.

Poise i stokes imenovani kao CGS jedinice. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s postaju standard.

Eksperiment s kapljicom smole počinje na Sveučilištu u Queenslandu. Još uvijek traje—najduži laboratorijski eksperiment ikada.

SI usvaja Pa·s i m²/s kao standardne jedinice. Centipoise (cP) i centistokes (cSt) ostaju uobičajeni.

ASTM D445 standardizira mjerenje kinematičke viskoznosti. Kapilarni viskozimetar postaje industrijski standard.

Rotacijski viskozimetri omogućavaju mjerenje nenjutnovskih fluida. Važno za boje, polimere, hranu.

Digitalni viskozimetri automatiziraju mjerenje. Temperaturno kontrolirane kupke osiguravaju preciznost do ±0.01 cSt.

Odabir motornog ulja, hidraulične tekućine i podmazivanja ležajeva:

• SAE gradacije: 10W-30 znači 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (rasponi kinematičke viskoznosti)
• ISO VG gradacije: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematička viskoznost @ 40°C u cSt)
• Odabir ležajeva: Prerijetko = habanje, pregusto = trenje/toplina
• Indeks viskoznosti (VI): Mjeri osjetljivost na temperaturu (više = bolje)
• Višegradna ulja: Aditivi održavaju viskoznost u različitim temperaturama
• Hidraulički sustavi: Tipično 32-68 cSt @ 40°C za optimalne performanse

Specifikacije viskoznosti za gorivo, sirovu naftu i preradu:

• Teško lož ulje: Mjereno u cSt @ 50°C (mora se zagrijati za pumpanje)
• Dizel: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590 specifikacija)
• Klasifikacija sirove nafte: Lagana (<10 cSt), srednja, teška (>50 cSt)
• Protok u cjevovodu: Viskoznost određuje zahtjeve za snagom pumpanja
• Gradacije brodskog goriva: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces prerade: Visk-kreking smanjuje teške frakcije

Kontrola kvalitete i optimizacija procesa:

• Ocjenjivanje meda: 2,000-10,000 cP @ 20°C (ovisno o vlažnosti)
• Konzistencija sirupa: Javorov sirup 150-200 cP, kukuruzni sirup 2,000+ cP
• Mliječni proizvodi: Viskoznost vrhnja utječe na teksturu i osjećaj u ustima
• Čokolada: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces temperiranja)
• Karbonizacija pića: Viskoznost utječe na formiranje mjehurića
• Ulje za kuhanje: 50-100 cP @ 20°C (točka dimljenja korelira s viskoznošću)

Boje, ljepila, polimeri i kontrola procesa:

• Viskoznost boje: 70-100 KU (Krebs jedinice) za konzistenciju nanošenja
• Premazivanje prskanjem: Tipično 20-50 cP (pregusto začepljuje, prerijetko curi)
• Ljepila: 500-50,000 cP ovisno o metodi nanošenja
• Polimerni talozi: 100-100,000 Pa·s (ekstruzija/oblikovanje)
• Tiskarske boje: 50-150 cP za fleksografiju, 1-5 P za ofset
• Kontrola kvalitete: Viskoznost ukazuje na konzistentnost serije i rok trajanja

Dinamička viskoznost (Pa·s, poise) mjeri unutarnji otpor fluida na smicanje—njegovu apsolutnu 'gustoću'. Kinematička viskoznost (m²/s, stokes) je dinamička viskoznost podijeljena s gustoćom—koliko brzo teče pod utjecajem gravitacije. Potrebna vam je gustoća da biste ih konvertirali: ν = μ/ρ. Razmislite ovako: med ima visoku dinamičku viskoznost (gust je), ali živa također ima visoku kinematičku viskoznost iako je 'rijetka' (jer je vrlo gusta).

Ne bez poznavanja gustoće fluida na temperaturi mjerenja. Za vodu blizu 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (jer je gustoća vode ≈ 1 g/cm³). Ali za motorno ulje (gustoća ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Naš konverter blokira unakrsne konverzije kako bi spriječio greške. Koristite ovu formulu: cSt = cP / (gustoća u g/cm³).

SAE gradacije viskoznosti specificiraju raspone kinematičke viskoznosti. '10W' znači da zadovoljava zahtjeve za protok na niskim temperaturama (W = winter, testirano na 0°F). '30' znači da zadovoljava zahtjeve za viskoznost na visokim temperaturama (testirano na 212°F). Višegradna ulja (poput 10W-30) koriste aditive za održavanje viskoznosti u različitim temperaturama, za razliku od monogradnih ulja (SAE 30) koja se dramatično razrjeđuju kada su vruća.

Saybolt Univerzalne Sekunde (SUS) mjere koliko je vremena potrebno da 60mL fluida iscuri kroz kalibrirani otvor. Empirijska formula je: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (za SUS > 32). Na primjer, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS se i dalje koristi u naftnim specifikacijama iako je starija metoda. Moderne laboratorije koriste kinematičke viskozimetre koji direktno mjere cSt prema ASTM D445.

Viša temperatura daje molekulama više kinetičke energije, omogućavajući im da lakše klize jedna pored druge. Za tekućine, viskoznost tipično opada 2-10% po °C. Motorno ulje na 20°C može biti 200 cP, ali samo 15 cP na 100°C (13× smanjenje!). Indeks viskoznosti (VI) mjeri ovu temperaturnu osjetljivost: ulja s visokim VI (100+) bolje održavaju viskoznost, dok se ona s niskim VI (<50) dramatično razrjeđuju pri zagrijavanju.

Većina hidrauličkih sustava najbolje radi na 25-50 cSt @ 40°C. Preniska (<10 cSt) uzrokuje unutarnje curenje i habanje. Previsoka (>100 cSt) uzrokuje spor odziv, visoku potrošnju energije i nakupljanje topline. Provjerite specifikacije proizvođača vaše pumpe—krilne pumpe preferiraju 25-35 cSt, dok klipne pumpe toleriraju 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) je najčešće hidraulično ulje opće namjene.

Ne postoji teoretski maksimum, ali praktična mjerenja postaju teška iznad 1 milion cP (1000 Pa·s). Bitumen/smola može doseći 100 milijardi Pa·s. Neki polimerni talozi prelaze 1 milion Pa·s. Pri ekstremnim viskoznostima, granica između tekućine i čvrstog tijela se zamagljuje—ovi materijali pokazuju i viskozni protok (poput tekućina) i elastični oporavak (poput čvrstih tijela), što se naziva viskoelastičnost.

Poise odaje počast Jeanu Léonardu Marie Poiseuilleu (1840-ih), koji je proučavao protok krvi u kapilarama. Stokes odaje počast Georgeu Gabrielu Stokesu (1850-ih), koji je izveo jednadžbe za viskozni protok i dokazao vezu između dinamičke i kinematičke viskoznosti. Reyn (funta-sila sekunda po kvadratnom inču) je nazvan po Osbourneu Reynoldsu (1880-ih), poznatom po Reynoldsovom broju u dinamici fluida.