Meet de interne weerstand tegen schuifspanning

Dynamische viscositeit (ook wel absolute viscositeit genoemd) kwantificeert hoeveel kracht er nodig is om de ene vloeistoflaag langs de andere te bewegen. Het is de intrinsieke eigenschap van de vloeistof zelf, onafhankelijk van de dichtheid. Hogere waarden betekenen meer weerstand.

Formule: τ = μ × (du/dy) waarbij τ = schuifspanning, du/dy = snelheidsgradiënt

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

Dynamische viscositeit gedeeld door dichtheid

Kinematische viscositeit meet hoe snel een vloeistof stroomt onder invloed van de zwaartekracht. Het houdt rekening met zowel de interne weerstand (dynamische viscositeit) als de massa per volume (dichtheid). Wordt gebruikt wanneer stroming onder invloed van de zwaartekracht belangrijk is, zoals bij het aftappen van olie of het gieten van vloeistof.

Formule: ν = μ / ρ waarbij μ = dynamische viscositeit, ρ = dichtheid

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

• μ (dynamisch) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (dichtheid) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematisch) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Verhouding: ν/μ ≈ 1.0 (water is de referentie)

• μ (dynamisch) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (dichtheid) = 850 kg/m³
• ν (kinematisch) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Opmerking: Kinematisch is 18% hoger dan dynamisch (vanwege lagere dichtheid)

• μ (dynamisch) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (dichtheid) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematisch) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Opmerking: Zeer viskeus—1.400× dikker dan water

• μ (dynamisch) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (dichtheid) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematisch) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Opmerking: Lage dynamische, hoge kinematische (gassen hebben een lage dichtheid)

ASTM D88-standaard, veel gebruikt in Noord-Amerika voor petroleumproducten

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (geldig voor SUS > 32)

• Gemeten bij specifieke temperaturen: 100°F (37.8°C) of 210°F (98.9°C)
• Gebruikelijk bereik: 31-1000+ SUS
• Voorbeeld: SAE 30 olie ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) variant voor zeer viskeuze vloeistoffen: ×10 grotere opening

Britse IP 70-standaard, gebruikelijk in het VK en het voormalige Gemenebest

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (geldig voor RW1 > 34)

• Gemeten bij 70°F (21.1°C), 100°F of 140°F
• Redwood Nr. 2 variant voor dikkere vloeistoffen
• Conversie: RW1 ≈ SUS × 1.15 (bij benadering)
• Grotendeels vervangen door ISO-standaarden, maar wordt nog steeds genoemd in oudere specificaties

Duitse DIN 51560-standaard, gebruikt in Europa en de petroleumindustrie

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (geldig voor °E > 1.2)

• Gemeten bij 20°C, 50°C of 100°C
• °E = 1.0 voor water @ 20°C (per definitie)
• Gebruikelijk bereik: 1.0-20°E
• Voorbeeld: Dieselbrandstof ≈ 3-5°E @ 20°C

Het langstlopende laboratoriumexperiment ter wereld (sinds 1927) aan de Universiteit van Queensland toont pek (teer) dat door een trechter stroomt. Het lijkt vast, maar is in feite een vloeistof met een extreem hoge viscositeit—100 miljard keer viskeuzer dan water! Er zijn slechts 9 druppels gevallen in 94 jaar.

Basaltische lava (lage viscositeit, 10-100 Pa·s) creëert milde uitbarstingen in Hawaiiaanse stijl met stromende rivieren. Rhyolitische lava (hoge viscositeit, 100.000+ Pa·s) creëert explosieve uitbarstingen in de stijl van Mount St. Helens omdat gassen niet kunnen ontsnappen. Viscositeit vormt letterlijk vulkanische bergen.

Bloed is 3-4× viskeuzer dan water (3-4 cP @ 37°C) vanwege de rode bloedcellen. Een hoge bloedviscositeit verhoogt het risico op een beroerte/hartaanval. Een lage dosis aspirine vermindert de viscositeit door de aggregatie van bloedplaatjes te voorkomen. Het testen van de bloedviscositeit kan hart- en vaatziekten voorspellen.

In tegenstelling tot de populaire mythe zijn oude ramen niet dikker aan de onderkant als gevolg van stroming. De viscositeit van glas bij kamertemperatuur is 10²⁰ Pa·s (een biljoen biljoen keer die van water). Het zou langer duren dan de leeftijd van het universum om 1 mm te stromen. Het is een echte vaste stof, geen langzame vloeistof.

SAE 10W-30 betekent: 10W = winterviscositeit @ 0°F (lage-temperatuurstroom), 30 = viscositeit @ 212°F (bescherming bij bedrijfstemperatuur). De 'W' staat voor winter, niet voor gewicht (weight). Multigrade-oliën gebruiken polymeren die opkrullen als het koud is (lage viscositeit) en uitzetten als het warm is (behoud van viscositeit).

Schaatsenrijders maken gebruik van oppervlaktespanning, maar ook van de viscositeit van water. Hun pootbewegingen creëren wervelingen die tegen de viskeuze weerstand duwen, waardoor ze vooruit worden gestuwd. In een vloeistof met nul viscositeit (theoretisch) zouden ze niet kunnen bewegen—ze zouden wegglijden zonder grip.

Isaac Newton beschrijft viscositeit in Principia Mathematica. Introduceert het concept van 'interne wrijving' in vloeistoffen.

Jean Poiseuille bestudeert de bloedstroom in capillairen. Leidt de wet van Poiseuille af die de stroomsnelheid relateert aan de viscositeit.

George Stokes leidt vergelijkingen af voor viskeuze stroming. Bewijst de relatie tussen dynamische en kinematische viscositeit.

Osborne Reynolds introduceert het getal van Reynolds. Relateert viscositeit aan het stromingsregime (laminair vs. turbulent).

De Saybolt-viscometer wordt gestandaardiseerd in de VS. De uitstroombekermethode wordt de standaard in de petroleumindustrie.

Poise en stokes worden benoemd als CGS-eenheden. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s worden standaard.

Het pekdruppelexperiment begint aan de Universiteit van Queensland. Loopt nog steeds—het langstlopende laboratoriumexperiment ooit.

SI neemt Pa·s en m²/s aan als standaardeenheden. Centipoise (cP) en centistokes (cSt) blijven gebruikelijk.

ASTM D445 standaardiseert de meting van de kinematische viscositeit. De capillaire viscometer wordt de industriestandaard.

Rotatieviscometers maken de meting van niet-newtonse vloeistoffen mogelijk. Belangrijk voor verf, polymeren, voedsel.

Digitale viscometers automatiseren de meting. Temperatuurgecontroleerde baden zorgen voor een nauwkeurigheid van ±0.01 cSt.

Selectie van motorolie, hydraulische vloeistof en lagersmering:

• SAE-graden: 10W-30 betekent 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (kinematische viscositeitsbereiken)
• ISO VG-graden: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematische viscositeit @ 40°C in cSt)
• Lagerselectie: Te dun = slijtage, te dik = wrijving/hitte
• Viscositeitsindex (VI): Meet de temperatuurgevoeligheid (hoger = beter)
• Multigrade-oliën: Additieven behouden de viscositeit over temperaturen heen
• Hydraulische systemen: Typisch 32-68 cSt @ 40°C voor optimale prestaties

Viscositeitsspecificaties voor brandstof, ruwe olie en raffinage:

• Zware stookolie: Gemeten in cSt @ 50°C (moet worden verwarmd om te pompen)
• Diesel: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590-specificatie)
• Classificatie van ruwe olie: Licht (<10 cSt), medium, zwaar (>50 cSt)
• Pijpleidingstroming: Viscositeit bepaalt de pompvermogensvereisten
• Bunkerbrandstofgraden: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Raffinageproces: Visbreaking vermindert zware fracties

Kwaliteitscontrole en procesoptimalisatie:

• Honingclassificatie: 2.000-10.000 cP @ 20°C (afhankelijk van vocht)
• Stroopconsistentie: Ahornsiroop 150-200 cP, glucosestroop 2.000+ cP
• Zuivel: De viscositeit van room beïnvloedt de textuur en het mondgevoel
• Chocolade: 10.000-20.000 cP @ 40°C (tempereerproces)
• Carbonatatie van dranken: Viscositeit beïnvloedt de vorming van bellen
• Kookolie: 50-100 cP @ 20°C (rookpunt correleert met viscositeit)

Verf, lijmen, polymeren en procesbeheersing:

• Verfviscositeit: 70-100 KU (Krebs-eenheden) voor applicatieconsistentie
• Spuitcoating: Typisch 20-50 cP (te dik verstopt, te dun loopt uit)
• Lijmen: 500-50.000 cP afhankelijk van de applicatiemethode
• Polymeersmelten: 100-100.000 Pa·s (extrusie/gieten)
• Drukinkten: 50-150 cP voor flexografie, 1-5 P voor offset
• Kwaliteitscontrole: Viscositeit geeft de consistentie van de partij en de houdbaarheid aan

Dynamische viscositeit (Pa·s, poise) meet de interne weerstand van een vloeistof tegen schuif—de absolute 'dikte'. Kinematische viscositeit (m²/s, stokes) is de dynamische viscositeit gedeeld door de dichtheid—hoe snel het stroomt onder invloed van de zwaartekracht. U heeft de dichtheid nodig om hiertussen te converteren: ν = μ/ρ. Denk er zo over na: honing heeft een hoge dynamische viscositeit (het is dik), maar kwik heeft ook een hoge kinematische viscositeit ondanks dat het 'dun' is (omdat het erg dicht is).

Niet zonder de dichtheid van de vloeistof bij de meettemperatuur te kennen. Voor water nabij 20°C is 1 cP ≈ 1 cSt (omdat de dichtheid van water ≈ 1 g/cm³ is). Maar voor motorolie (dichtheid ≈ 0.9) is 90 cP = 100 cSt. Onze omzetter blokkeert conversies tussen soorten om fouten te voorkomen. Gebruik deze formule: cSt = cP / (dichtheid in g/cm³).

SAE-viscositeitsgraden specificeren kinematische viscositeitsbereiken. '10W' betekent dat het voldoet aan de eisen voor lage-temperatuurstroom (W = winter, getest bij 0°F). '30' betekent dat het voldoet aan de eisen voor hoge-temperatuurviscositeit (getest bij 212°F). Multigrade-oliën (zoals 10W-30) gebruiken additieven om de viscositeit over temperaturen heen te behouden, in tegenstelling tot single-grade-oliën (SAE 30) die dramatisch verdunnen als ze heet worden.

Saybolt Universal Seconds (SUS) meten hoe lang het duurt voordat 60 ml vloeistof door een gekalibreerde opening stroomt. De empirische formule is: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (voor SUS > 32). Bijvoorbeeld, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS wordt nog steeds gebruikt in petroleumspecificaties ondanks dat het een oudere methode is. Moderne laboratoria gebruiken kinematische viscometers die cSt rechtstreeks meten volgens ASTM D445.

Een hogere temperatuur geeft moleculen meer kinetische energie, waardoor ze gemakkelijker langs elkaar kunnen glijden. Voor vloeistoffen daalt de viscositeit doorgaans met 2-10% per °C. Motorolie bij 20°C kan 200 cP zijn, maar slechts 15 cP bij 100°C (een daling van 13 keer!). De Viscositeitsindex (VI) meet deze temperatuurgevoeligheid: oliën met een hoge VI (100+) behouden hun viscositeit beter, oliën met een lage VI (<50) verdunnen dramatisch bij verhitting.

De meeste hydraulische systemen werken het best bij 25-50 cSt @ 40°C. Te laag (<10 cSt) veroorzaakt interne lekkage en slijtage. Te hoog (>100 cSt) veroorzaakt een trage respons, een hoog stroomverbruik en warmteopbouw. Controleer de specificatie van uw pompfabrikant—schoepenpompen geven de voorkeur aan 25-35 cSt, zuigerpompen tolereren 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) is de meest voorkomende algemene hydraulische olie.

Er is geen theoretisch maximum, maar praktische metingen worden moeilijk boven 1 miljoen cP (1000 Pa·s). Bitumen/pek kan 100 miljard Pa·s bereiken. Sommige polymeersmelten overschrijden 1 miljoen Pa·s. Bij extreme viscositeiten vervaagt de grens tussen vloeistof en vaste stof—deze materialen vertonen zowel viskeuze stroming (zoals vloeistoffen) als elastisch herstel (zoals vaste stoffen), wat visco-elasticiteit wordt genoemd.

Poise eert Jean Léonard Marie Poiseuille (jaren 1840), die de bloedstroom in capillairen bestudeerde. Stokes eert George Gabriel Stokes (jaren 1850), die de vergelijkingen voor viskeuze stroming afleidde en de relatie tussen dynamische en kinematische viscositeit bewees. Een reyn (pond-kracht seconde per vierkante inch) is vernoemd naar Osbourne Reynolds (jaren 1880), beroemd om het getal van Reynolds in de vloeistofdynamica.