Mēra iekšējo pretestību bīdes spriegumam

Dinamiskā viskozitāte (saukta arī par absolūto viskozitāti) kvantitatīvi nosaka, cik liels spēks ir nepieciešams, lai pārvietotu vienu šķidruma slāni pāri otram. Tā ir paša šķidruma iekšējā īpašība, kas nav atkarīga no blīvuma. Augstākas vērtības nozīmē lielāku pretestību.

Formula: τ = μ × (du/dy), kur τ = bīdes spriegums, du/dy = ātruma gradients

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

Dinamiskā viskozitāte, dalīta ar blīvumu

Kinemātiskā viskozitāte mēra, cik ātri šķidrums plūst gravitācijas ietekmē. Tā ņem vērā gan iekšējo pretestību (dinamisko viskozitāti), gan masu tilpuma vienībā (blīvumu). To izmanto, ja ir svarīga gravitācijas virzīta plūsma, piemēram, eļļas noliešana vai šķidruma ieliešana.

Formula: ν = μ / ρ, kur μ = dinamiskā viskozitāte, ρ = blīvums

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

• μ (dinamiskā) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (blīvums) = 998.2 kg/m³
• ν (kinemātiskā) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Attiecība: ν/μ ≈ 1.0 (ūdens ir atsauce)

• μ (dinamiskā) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (blīvums) = 850 kg/m³
• ν (kinemātiskā) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Piezīme: Kinemātiskā ir par 18% augstāka nekā dinamiskā (zemāka blīvuma dēļ)

• μ (dinamiskā) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (blīvums) = 1,261 kg/m³
• ν (kinemātiskā) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Piezīme: Ļoti viskozs—1,400 reizes biezāks par ūdeni

• μ (dinamiskā) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (blīvums) = 1.204 kg/m³
• ν (kinemātiskā) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Piezīme: Zema dinamiskā, augsta kinemātiskā (gāzēm ir zems blīvums)

ASTM D88 standarts, plaši izmantots Ziemeļamerikā naftas produktiem

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (derīgs, ja SUS > 32)

• Mērīts noteiktā temperatūrā: 100°F (37.8°C) vai 210°F (98.9°C)
• Parastais diapazons: 31-1000+ SUS
• Piemērs: SAE 30 eļļa ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) variants ļoti viskoziem šķidrumiem: ×10 lielāka atvere

Lielbritānijas IP 70 standarts, izplatīts Apvienotajā Karalistē un bijušajā Sadraudzībā

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (derīgs, ja RW1 > 34)

• Mērīts pie 70°F (21.1°C), 100°F vai 140°F
• Redwood Nr. 2 variants biezākiem šķidrumiem
• Konversija: RW1 ≈ SUS × 1.15 (aptuveni)
• Lielā mērā aizstāts ar ISO standartiem, bet joprojām tiek minēts vecākās specifikācijās

Vācijas DIN 51560 standarts, ko izmanto Eiropā un naftas rūpniecībā

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (derīgs, ja °E > 1.2)

• Mērīts pie 20°C, 50°C vai 100°C
• °E = 1.0 ūdenim @ 20°C (pēc definīcijas)
• Parastais diapazons: 1.0-20°E
• Piemērs: Dīzeļdegviela ≈ 3-5°E @ 20°C

Pasaulē ilgstošākais laboratorijas eksperiments (kopš 1927. gada) Kvīnslendas Universitātē rāda, kā piķis (darva) plūst caur piltuvi. Tas izskatās ciets, bet patiesībā ir ļoti augstas viskozitātes šķidrums—100 miljardus reižu viskozāks par ūdeni! 94 gadu laikā ir nokritušas tikai 9 piles.

Bazalta lava (zema viskozitāte, 10-100 Pa·s) rada mierīgus Havaju stila izvirdumus ar plūstošām upēm. Riolīta lava (augsta viskozitāte, 100,000+ Pa·s) rada sprādzienbīstamus Svētās Helēnas kalna stila izvirdumus, jo gāzes nevar izkļūt. Viskozitāte burtiski veido vulkāniskos kalnus.

Asinis ir 3-4 reizes viskozākas par ūdeni (3-4 cP @ 37°C) sarkano asins šūnu dēļ. Augsta asins viskozitāte palielina insulta/sirdslēkmes risku. Zemas devas aspirīns samazina viskozitāti, novēršot trombocītu agregāciju. Asins viskozitātes tests var prognozēt sirds un asinsvadu slimības.

Pretēji populārajam mītam, veci logi nav biezāki apakšā plūsmas dēļ. Stikla viskozitāte istabas temperatūrā ir 10²⁰ Pa·s (triljons triljonu reižu lielāka nekā ūdenim). Lai tas noplūstu 1 mm, būtu nepieciešams ilgāks laiks nekā Visuma vecums. Tas ir īsts ciets ķermenis, nevis lēns šķidrums.

SAE 10W-30 nozīmē: 10W = ziemas viskozitāte @ 0°F (plūsma zemā temperatūrā), 30 = viskozitāte @ 212°F (aizsardzība darba temperatūrā). 'W' nozīmē ziema (winter), nevis svars (weight). Vissezonas eļļas izmanto polimērus, kas aukstumā saritinās (zema viskozitāte) un karstumā izplešas (uztur viskozitāti).

Ūdensmērītāji izmanto virsmas spraigumu, bet arī ūdens viskozitāti. Viņu kāju kustības rada virpuļus, kas spiežas pret viskozo pretestību, virzot tos uz priekšu. Nulles viskozitātes šķidrumā (teorētiski) tie nevarētu kustēties—tie slīdētu bez saķeres.

Īzaks Ņūtons apraksta viskozitāti darbā Principia Mathematica. Ievieš jēdzienu 'iekšējā berze' šķidrumos.

Žans Puazejs pēta asins plūsmu kapilāros. Atvasina Puazeja likumu, kas saista plūsmas ātrumu ar viskozitāti.

Džordžs Stokss atvasina vienādojumus viskozai plūsmai. Pierāda saistību starp dinamisko un kinemātisko viskozitāti.

Osborns Reinoldss ievieš Reinoldsa skaitli. Saista viskozitāti ar plūsmas režīmu (laminārs pret turbulentu).

Saybolt viskozimetrs tiek standartizēts ASV. Izplūdes kausa metode kļūst par naftas rūpniecības standartu.

Poise un stokes tiek nosaukti par CGS mērvienībām. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s kļūst par standartu.

Piķa piliena eksperiments sākas Kvīnslendas Universitātē. Joprojām turpinās—visilgākais laboratorijas eksperiments vēsturē.

SI pieņem Pa·s un m²/s kā standarta mērvienības. Centipoise (cP) un centistokes (cSt) paliek izplatīti.

ASTM D445 standartizē kinemātiskās viskozitātes mērīšanu. Kapilārais viskozimetrs kļūst par rūpniecības standartu.

Rotācijas viskozimetri ļauj mērīt ne-Ņūtona šķidrumus. Svarīgi krāsām, polimēriem, pārtikai.

Digitālie viskozimetri automatizē mērījumus. Temperatūras kontrolētas vannas nodrošina precizitāti līdz ±0.01 cSt.

Motoreļļas, hidrauliskā šķidruma un gultņu eļļošanas izvēle:

• SAE klases: 10W-30 nozīmē 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (kinemātiskās viskozitātes diapazoni)
• ISO VG klases: VG 32, VG 46, VG 68 (kinemātiskā viskozitāte @ 40°C cSt)
• Gultņu izvēle: Pārāk šķidrs = nodilums, pārāk biezs = berze/karstums
• Viskozitātes indekss (VI): Mēra jutību pret temperatūru (augstāks = labāks)
• Vissezonas eļļas: Piedevas uztur viskozitāti dažādās temperatūrās
• Hidrauliskās sistēmas: Parasti 32-68 cSt @ 40°C optimālai veiktspējai

Degvielas, jēlnaftas un rafinēšanas viskozitātes specifikācijas:

• Smagā mazuta: Mērīts cSt @ 50°C (jāsilda, lai sūknētu)
• Dīzeļdegviela: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590 specifikācija)
• Jēlnaftas klasifikācija: Viegla (<10 cSt), vidēja, smaga (>50 cSt)
• Cauruļvadu plūsma: Viskozitāte nosaka sūknēšanas jaudas prasības
• Bunkura degvielas klases: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Rafinēšanas process: Viskozitātes samazināšana samazina smagās frakcijas

Kvalitātes kontrole un procesu optimizācija:

• Medus klasifikācija: 2,000-10,000 cP @ 20°C (atkarībā no mitruma)
• Sīrupa konsistence: Kļavu sīrups 150-200 cP, kukurūzas sīrups 2,000+ cP
• Piena produkti: Krējuma viskozitāte ietekmē tekstūru un sajūtu mutē
• Šokolāde: 10,000-20,000 cP @ 40°C (temperēšanas process)
• Dzērienu gāzēšana: Viskozitāte ietekmē burbuļu veidošanos
• Cepameļļa: 50-100 cP @ 20°C (dūmu punkts korelē ar viskozitāti)

Krāsas, līmes, polimēri un procesu kontrole:

• Krāsas viskozitāte: 70-100 KU (Krebsa vienības) uzklāšanas konsistencei
• Smidzināšanas pārklājums: Parasti 20-50 cP (pārāk biezs aizsprosto, pārāk šķidrs notek)
• Līmes: 500-50,000 cP atkarībā no uzklāšanas metodes
• Polimēru kausējumi: 100-100,000 Pa·s (ekstrūzija/liešana)
• Drukas tintes: 50-150 cP fleksogrāfijai, 1-5 P ofsetam
• Kvalitātes kontrole: Viskozitāte norāda uz partijas konsistenci un glabāšanas laiku

Dinamiskā viskozitāte (Pa·s, poise) mēra šķidruma iekšējo pretestību bīdei—tā absolūto 'biezumu'. Kinemātiskā viskozitāte (m²/s, stokes) ir dinamiskā viskozitāte, dalīta ar blīvumu—cik ātri tas plūst gravitācijas ietekmē. Lai konvertētu starp tām, jums ir nepieciešams blīvums: ν = μ/ρ. Iedomājieties to šādi: medum ir augsta dinamiskā viskozitāte (tas ir biezs), bet dzīvsudrabam arī ir augsta kinemātiskā viskozitāte, lai gan tas ir 'šķidrs' (jo tas ir ļoti blīvs).

Ne bez šķidruma blīvuma zināšanām mērīšanas temperatūrā. Ūdenim ap 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (jo ūdens blīvums ir ≈ 1 g/cm³). Bet motoreļļai (blīvums ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Mūsu pārveidotājs bloķē starptipu konversijas, lai novērstu kļūdas. Izmantojiet šo formulu: cSt = cP / (blīvums g/cm³).

SAE viskozitātes klases nosaka kinemātiskās viskozitātes diapazonus. '10W' nozīmē, ka tā atbilst zemas temperatūras plūsmas prasībām (W = winter, pārbaudīts pie 0°F). '30' nozīmē, ka tā atbilst augstas temperatūras viskozitātes prasībām (pārbaudīts pie 212°F). Vissezonas eļļas (piemēram, 10W-30) izmanto piedevas, lai uzturētu viskozitāti dažādās temperatūrās, atšķirībā no viensezonas eļļām (SAE 30), kas uzkarstot dramatiski sašķidrinās.

Saybolt Universālās Sekundes (SUS) mēra, cik ilgi 60 ml šķidruma iztek caur kalibrētu atveri. Empīriskā formula ir: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (ja SUS > 32). Piemēram, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS joprojām tiek izmantots naftas specifikācijās, lai gan tā ir vecāka metode. Mūsdienu laboratorijas izmanto kinemātiskos viskozimetrus, kas tieši mēra cSt saskaņā ar ASTM D445.

Augstāka temperatūra dod molekulām vairāk kinētiskās enerģijas, ļaujot tām vieglāk slīdēt garām viena otrai. Šķidrumiem viskozitāte parasti samazinās par 2-10% uz katru °C. Motoreļļa pie 20°C var būt 200 cP, bet pie 100°C tikai 15 cP (13 reizes samazinājums!). Viskozitātes Indekss (VI) mēra šo temperatūras jutību: eļļas ar augstu VI (100+) labāk saglabā viskozitāti, eļļas ar zemu VI (<50) uzkarstot dramatiski sašķidrinās.

Lielākā daļa hidraulisko sistēmu vislabāk darbojas pie 25-50 cSt @ 40°C. Pārāk zema (<10 cSt) izraisa iekšējas noplūdes un nodilumu. Pārāk augsta (>100 cSt) izraisa lēnu reakciju, augstu enerģijas patēriņu un siltuma uzkrāšanos. Pārbaudiet sava sūkņa ražotāja specifikāciju—lāpstiņu sūkņi dod priekšroku 25-35 cSt, virzuļu sūkņi panes 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) ir visizplatītākā vispārējas nozīmes hidrauliskā eļļa.

Nav teorētiska maksimuma, bet praktiskie mērījumi kļūst grūti virs 1 miljona cP (1000 Pa·s). Bitumens/piķis var sasniegt 100 miljardus Pa·s. Daži polimēru kausējumi pārsniedz 1 miljonu Pa·s. Ekstrēmās viskozitātēs robeža starp šķidrumu un cietu vielu kļūst neskaidra—šie materiāli uzrāda gan viskozu plūsmu (kā šķidrumi), gan elastīgu atjaunošanos (kā cietas vielas), ko sauc par viskoelastību.

Poise godina Žanu Leonāru Marī Puazeju (1840. gadi), kurš pētīja asins plūsmu kapilāros. Stokes godina Džordžu Gabrielu Stoksu (1850. gadi), kurš atvasināja vienādojumus viskozai plūsmai un pierādīja saistību starp dinamisko un kinemātisko viskozitāti. Viens reyn (mārciņa-spēks sekunde uz kvadrātcollu) ir nosaukts par godu Osbornam Reinoldsam (1880. gadi), kurš ir slavens ar Reinoldsa skaitli šķidrumu dinamikā.