Mierzy wewnętrzny opór na naprężenie ścinające

Lepkość dynamiczna (zwana również lepkością absolutną) określa, ile siły potrzeba, aby przesunąć jedną warstwę płynu nad drugą. Jest to wewnętrzna właściwość samego płynu, niezależna od gęstości. Wyższe wartości oznaczają większy opór.

Wzór: τ = μ × (du/dy) gdzie τ = naprężenie ścinające, du/dy = gradient prędkości

Jednostki: Pa·s (SI), puaz (P), centypuaz (cP). Woda @ 20°C = 1.002 cP

Lepkość dynamiczna podzielona przez gęstość

Lepkość kinematyczna mierzy, jak szybko płyn przepływa pod wpływem grawitacji. Uwzględnia zarówno wewnętrzny opór (lepkość dynamiczna), jak i masę na objętość (gęstość). Używana, gdy ważny jest przepływ pod wpływem grawitacji, np. przy spuszczaniu oleju lub nalewaniu cieczy.

Wzór: ν = μ / ρ gdzie μ = lepkość dynamiczna, ρ = gęstość

Jednostki: m²/s (SI), stokes (St), centystokes (cSt). Woda @ 20°C = 1.004 cSt

• μ (dynamiczna) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (gęstość) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematyczna) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Stosunek: ν/μ ≈ 1.0 (woda jest odniesieniem)

• μ (dynamiczna) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (gęstość) = 850 kg/m³
• ν (kinematyczna) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Uwaga: Kinematyczna jest o 18% wyższa niż dynamiczna (z powodu niższej gęstości)

• μ (dynamiczna) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (gęstość) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematyczna) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Uwaga: Bardzo lepka—1,400 razy gęstsza niż woda

• μ (dynamiczna) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (gęstość) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematyczna) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Uwaga: Niska dynamiczna, wysoka kinematyczna (gazy mają niską gęstość)

Standard ASTM D88, szeroko stosowany w Ameryce Północnej dla produktów naftowych

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (ważne dla SUS > 32)

• Mierzone w określonych temperaturach: 100°F (37.8°C) lub 210°F (98.9°C)
• Typowy zakres: 31-1000+ SUS
• Przykład: Olej SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Wariant Saybolt Furol (SFS) dla bardzo lepkich płynów: ×10 większy otwór

Brytyjski standard IP 70, powszechny w Wielkiej Brytanii i byłej Wspólnocie Narodów

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (ważne dla RW1 > 34)

• Mierzone w 70°F (21.1°C), 100°F lub 140°F
• Wariant Redwood nr 2 dla gęstszych płynów
• Przeliczenie: RW1 ≈ SUS × 1.15 (w przybliżeniu)
• W dużej mierze zastąpione przez standardy ISO, ale nadal przywoływane w starszych specyfikacjach

Niemiecki standard DIN 51560, używany w Europie i przemyśle naftowym

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (ważne dla °E > 1.2)

• Mierzone w 20°C, 50°C lub 100°C
• °E = 1.0 dla wody @ 20°C (z definicji)
• Typowy zakres: 1.0-20°E
• Przykład: Olej napędowy ≈ 3-5°E @ 20°C

Najdłużej trwający eksperyment laboratoryjny na świecie (od 1927 roku) na Uniwersytecie Queensland pokazuje, jak pak (smoła) przepływa przez lejek. Wygląda jak ciało stałe, ale w rzeczywistości jest cieczą o niezwykle wysokiej lepkości—100 miliardów razy bardziej lepką niż woda! W ciągu 94 lat spadło zaledwie 9 kropli.

Lawa bazaltowa (niska lepkość, 10-100 Pa·s) tworzy łagodne erupcje w stylu hawajskim z płynącymi rzekami. Lawa ryolitowa (wysoka lepkość, 100,000+ Pa·s) tworzy wybuchowe erupcje w stylu Mount St. Helens, ponieważ gazy nie mogą uciec. Lepkość dosłownie kształtuje góry wulkaniczne.

Krew jest 3-4 razy bardziej lepka niż woda (3-4 cP @ 37°C) z powodu czerwonych krwinek. Wysoka lepkość krwi zwiększa ryzyko udaru/zawału serca. Niskie dawki aspiryny zmniejszają lepkość, zapobiegając agregacji płytek krwi. Badanie lepkości krwi może przewidywać choroby sercowo-naczyniowe.

Wbrew powszechnemu mitowi, stare okna nie są grubsze na dole z powodu płynięcia. Lepkość szkła w temperaturze pokojowej wynosi 10²⁰ Pa·s (trylion trylionów razy więcej niż wody). Przepłynięcie 1 mm zajęłoby więcej czasu niż wiek wszechświata. Jest to prawdziwe ciało stałe, a nie powolna ciecz.

SAE 10W-30 oznacza: 10W = lepkość zimowa @ 0°F (przepływ w niskiej temperaturze), 30 = lepkość @ 212°F (ochrona w temperaturze roboczej). 'W' oznacza zimę (winter), a nie wagę (weight). Oleje wielosezonowe używają polimerów, które zwijają się na zimno (niska lepkość) i rozszerzają na ciepło (utrzymują lepkość).

Nartniki wykorzystują napięcie powierzchniowe, ale także lepkość wody. Ich ruchy nóg tworzą wiry, które napierają na lepki opór, napędzając je do przodu. W cieczy o zerowej lepkości (teoretycznie) nie mogłyby się poruszać—ślizgałyby się bez przyczepności.

Isaac Newton opisuje lepkość w Principia Mathematica. Wprowadza pojęcie 'wewnętrznego tarcia' w płynach.

Jean Poiseuille bada przepływ krwi w naczyniach włosowatych. Wyprowadza prawo Poiseuille'a, które wiąże natężenie przepływu z lepkością.

George Stokes wyprowadza równania dla przepływu lepkiego. Dowodzi związku między lepkością dynamiczną i kinematyczną.

Osborne Reynolds wprowadza liczbę Reynoldsa. Wiąże lepkość z reżimem przepływu (laminarny vs. turbulentny).

Wiskozymetr Saybolta zostaje znormalizowany w USA. Metoda kubka wypływowego staje się standardem w przemyśle naftowym.

Puaz i stokes zostają nazwane jednostkami CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s stają się standardem.

Eksperyment z kroplą paku rozpoczyna się na Uniwersytecie Queensland. Wciąż trwa—najdłuższy eksperyment laboratoryjny w historii.

SI przyjmuje Pa·s i m²/s jako standardowe jednostki. Centypuaz (cP) i centystokes (cSt) pozostają w powszechnym użyciu.

ASTM D445 standaryzuje pomiar lepkości kinematycznej. Wiskozymetr kapilarny staje się standardem przemysłowym.

Wiskozymetry rotacyjne umożliwiają pomiar płynów nienewtonowskich. Ważne dla farb, polimerów, żywności.

Cyfrowe wiskozymetry automatyzują pomiar. Kąpiele z kontrolowaną temperaturą zapewniają dokładność do ±0.01 cSt.

Wybór oleju silnikowego, płynu hydraulicznego i smarowania łożysk:

• Klasy SAE: 10W-30 oznacza 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (zakresy lepkości kinematycznej)
• Klasy ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (lepkość kinematyczna @ 40°C w cSt)
• Wybór łożysk: Zbyt rzadki = zużycie, zbyt gęsty = tarcie/ciepło
• Wskaźnik lepkości (VI): Mierzy wrażliwość na temperaturę (wyższy = lepszy)
• Oleje wielosezonowe: Dodatki utrzymują lepkość w różnych temperaturach
• Systemy hydrauliczne: Zazwyczaj 32-68 cSt @ 40°C dla optymalnej wydajności

Specyfikacje lepkości paliwa, ropy naftowej i rafinacji:

• Ciężki olej opałowy: Mierzony w cSt @ 50°C (musi być podgrzany do pompowania)
• Olej napędowy: 2-4.5 cSt @ 40°C (specyfikacja EN 590)
• Klasyfikacja ropy naftowej: Lekka (<10 cSt), średnia, ciężka (>50 cSt)
• Przepływ w rurociągu: Lepkość określa wymagania dotyczące mocy pompowania
• Klasy paliwa bunkrowego: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces rafinacji: Wisbreaking redukuje ciężkie frakcje

Kontrola jakości i optymalizacja procesów:

• Klasyfikacja miodu: 2,000-10,000 cP @ 20°C (w zależności od wilgotności)
• Konsystencja syropu: Syrop klonowy 150-200 cP, syrop kukurydziany 2,000+ cP
• Nabiał: Lepkość śmietany wpływa na teksturę i odczucia w ustach
• Czekolada: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces temperowania)
• Nasycanie napojów dwutlenkiem węgla: Lepkość wpływa na tworzenie się pęcherzyków
• Olej spożywczy: 50-100 cP @ 20°C (punkt dymienia koreluje z lepkością)

Farby, kleje, polimery i kontrola procesów:

• Lepkość farby: 70-100 KU (jednostki Krebsa) dla spójności aplikacji
• Powłoka natryskowa: Zazwyczaj 20-50 cP (zbyt gęsta zapycha, zbyt rzadka spływa)
• Kleje: 500-50,000 cP w zależności od metody aplikacji
• Stopy polimerów: 100-100,000 Pa·s (wytłaczanie/formowanie)
• Farby drukarskie: 50-150 cP dla fleksografii, 1-5 P dla offsetu
• Kontrola jakości: Lepkość wskazuje na spójność partii i okres przydatności do spożycia

Lepkość dynamiczna (Pa·s, puaz) mierzy wewnętrzny opór płynu na ścinanie—jego absolutną 'gęstość'. Lepkość kinematyczna (m²/s, stokes) to lepkość dynamiczna podzielona przez gęstość—jak szybko płynie pod wpływem grawitacji. Aby przeliczyć między nimi, potrzebujesz gęstości: ν = μ/ρ. Pomyśl o tym w ten sposób: miód ma wysoką lepkość dynamiczną (jest gęsty), ale rtęć ma również wysoką lepkość kinematyczną, mimo że jest 'rzadka' (ponieważ jest bardzo gęsta).

Nie bez znajomości gęstości płynu w temperaturze pomiaru. Dla wody w pobliżu 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (ponieważ gęstość wody wynosi ≈ 1 g/cm³). Ale dla oleju silnikowego (gęstość ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Nasz konwerter blokuje przeliczenia między typami, aby zapobiec błędom. Użyj tej formuły: cSt = cP / (gęstość w g/cm³).

Klasy lepkości SAE określają zakresy lepkości kinematycznej. '10W' oznacza, że spełnia wymagania dotyczące przepływu w niskiej temperaturze (W = winter, testowane w 0°F). '30' oznacza, że spełnia wymagania dotyczące lepkości w wysokiej temperaturze (testowane w 212°F). Oleje wielosezonowe (jak 10W-30) używają dodatków do utrzymania lepkości w różnych temperaturach, w przeciwieństwie do olejów jednosezonowych (SAE 30), które dramatycznie się rozrzedzają po podgrzaniu.

Uniwersalne Sekundy Saybolta (SUS) mierzą, ile czasu zajmuje 60 ml płynu przepłynięcie przez skalibrowany otwór. Formuła empiryczna to: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (dla SUS > 32). Na przykład, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS jest nadal używany w specyfikacjach naftowych, mimo że jest to starsza metoda. Nowoczesne laboratoria używają wiskozymetrów kinematycznych, które bezpośrednio mierzą cSt zgodnie z normą ASTM D445.

Wyższa temperatura daje cząsteczkom więcej energii kinetycznej, co pozwala im łatwiej przesuwać się obok siebie. W przypadku cieczy lepkość zazwyczaj spada o 2-10% na °C. Olej silnikowy w 20°C może mieć 200 cP, ale w 100°C tylko 15 cP (13-krotny spadek!). Wskaźnik Lepkości (VI) mierzy tę wrażliwość na temperaturę: oleje o wysokim VI (100+) lepiej utrzymują lepkość, oleje o niskim VI (<50) dramatycznie się rozrzedzają po podgrzaniu.

Większość systemów hydraulicznych działa najlepiej przy 25-50 cSt @ 40°C. Zbyt niska (<10 cSt) powoduje wewnętrzne wycieki i zużycie. Zbyt wysoka (>100 cSt) powoduje powolną reakcję, wysokie zużycie energii i gromadzenie się ciepła. Sprawdź specyfikację producenta pompy—pompy łopatkowe preferują 25-35 cSt, pompy tłokowe tolerują 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) jest najczęstszym olejem hydraulicznym ogólnego przeznaczenia.

Nie ma teoretycznego maksimum, ale praktyczne pomiary stają się trudne powyżej 1 miliona cP (1000 Pa·s). Bitum/pak może osiągnąć 100 miliardów Pa·s. Niektóre stopy polimerów przekraczają 1 milion Pa·s. Przy ekstremalnych lepkościach granica między cieczą a ciałem stałym zaciera się—te materiały wykazują zarówno przepływ lepki (jak ciecze), jak i sprężyste odzyskiwanie (jak ciała stałe), co nazywa się lepkosprężystością.

Puaz uhonorowuje Jeana Léonarda Marie Poiseuille'a (lata 40. XIX wieku), który badał przepływ krwi w naczyniach włosowatych. Stokes uhonorowuje George'a Gabriela Stokesa (lata 50. XIX wieku), który wyprowadził równania dla przepływu lepkiego i udowodnił związek między lepkością dynamiczną i kinematyczną. Reyn (funt-siła-sekunda na cal kwadratowy) nosi imię Osbourne'a Reynoldsa (lata 80. XIX wieku), znanego z liczby Reynoldsa w dynamice płynów.