Măsoară rezistența internă la efortul de forfecare

Vâscozitatea dinamică (numită și vâscozitate absolută) cuantifică forța necesară pentru a deplasa un strat de fluid peste altul. Este proprietatea intrinsecă a fluidului însuși, independentă de densitate. Valorile mai mari înseamnă mai multă rezistență.

Formula: τ = μ × (du/dy) unde τ = efort de forfecare, du/dy = gradient de viteză

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

Vâscozitatea dinamică împărțită la densitate

Vâscozitatea cinematică măsoară cât de repede curge un fluid sub acțiunea gravitației. Aceasta ține cont atât de rezistența internă (vâscozitatea dinamică), cât și de masa pe volum (densitate). Utilizată atunci când curgerea sub acțiunea gravitației este importantă, cum ar fi scurgerea uleiului sau turnarea lichidului.

Formula: ν = μ / ρ unde μ = vâscozitate dinamică, ρ = densitate

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

• μ (dinamică) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (densitate) = 998.2 kg/m³
• ν (cinematică) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Raport: ν/μ ≈ 1.0 (apa este referința)

• μ (dinamică) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (densitate) = 850 kg/m³
• ν (cinematică) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Notă: Cinematica este cu 18% mai mare decât dinamica (datorită densității mai mici)

• μ (dinamică) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (densitate) = 1,261 kg/m³
• ν (cinematică) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Notă: Foarte vâscos—de 1,400× mai gros decât apa

• μ (dinamică) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (densitate) = 1.204 kg/m³
• ν (cinematică) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Notă: Dinamică scăzută, cinematică ridicată (gazele au densitate scăzută)

Standard ASTM D88, utilizat pe scară largă în America de Nord pentru produse petroliere

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (valid pentru SUS > 32)

• Măsurat la temperaturi specifice: 100°F (37.8°C) sau 210°F (98.9°C)
• Interval comun: 31-1000+ SUS
• Exemplu: Ulei SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Varianta Saybolt Furol (SFS) pentru fluide foarte vâscoase: orificiu de ×10 mai mare

Standard britanic IP 70, comun în Marea Britanie și fostul Commonwealth

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (valid pentru RW1 > 34)

• Măsurat la 70°F (21.1°C), 100°F, sau 140°F
• Varianta Redwood Nr. 2 pentru fluide mai groase
• Conversie: RW1 ≈ SUS × 1.15 (aproximativ)
• În mare parte înlocuit de standardele ISO, dar încă referențiat în specificațiile mai vechi

Standard german DIN 51560, utilizat în Europa și industria petrolieră

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (valid pentru °E > 1.2)

• Măsurat la 20°C, 50°C, sau 100°C
• °E = 1.0 pentru apă @ 20°C (prin definiție)
• Interval comun: 1.0-20°E
• Exemplu: Combustibil diesel ≈ 3-5°E @ 20°C

Cel mai lung experiment de laborator din lume (din 1927) de la Universitatea din Queensland arată cum smoala (gudronul) curge printr-o pâlnie. Pare solidă, dar este de fapt un lichid cu vâscozitate foarte mare—de 100 de miliarde de ori mai vâscoasă decât apa! Doar 9 picături au căzut în 94 de ani.

Lava bazaltică (vâscozitate scăzută, 10-100 Pa·s) creează erupții blânde de tip hawaiian cu râuri de lavă. Lava riolitică (vâscozitate ridicată, 100,000+ Pa·s) creează erupții explozive de tip Muntele St. Helens, deoarece gazele nu pot scăpa. Vâscozitatea modelează literalmente munții vulcanici.

Sângele este de 3-4 ori mai vâscos decât apa (3-4 cP @ 37°C) datorită globulelor roșii. Vâscozitatea ridicată a sângelui crește riscul de accident vascular cerebral/infarct. Aspirina în doze mici reduce vâscozitatea prin prevenirea agregării plachetare. Testarea vâscozității sângelui poate prezice bolile cardiovasculare.

Contrar mitului popular, ferestrele vechi nu sunt mai groase la bază din cauza curgerii. Vâscozitatea sticlei la temperatura camerei este de 10²⁰ Pa·s (1 trilion de trilioane de ori mai mare decât a apei). Pentru a curge 1mm ar dura mai mult decât vârsta universului. Este un solid adevărat, nu un lichid lent.

SAE 10W-30 înseamnă: 10W = vâscozitate de iarnă @ 0°F (curgere la temperatură joasă), 30 = vâscozitate @ 212°F (protecție la temperatura de funcționare). 'W' vine de la iarnă (winter), nu de la greutate (weight). Uleiurile multigrad folosesc polimeri care se strâng la rece (vâscozitate scăzută) și se extind la cald (mențin vâscozitatea).

Păianjenii de apă exploatează tensiunea superficială, dar profită și de vâscozitatea apei. Mișcările picioarelor lor creează vârtejuri care împing împotriva rezistenței vâscoase, propulsându-i înainte. Într-un fluid cu vâscozitate zero (teoretic), nu s-ar putea mișca—ar aluneca fără tracțiune.

Isaac Newton descrie vâscozitatea în Principia Mathematica. Introduce conceptul de 'frecare internă' în fluide.

Jean Poiseuille studiază fluxul sanguin în capilare. Deduce Legea lui Poiseuille care leagă debitul de vâscozitate.

George Stokes deduce ecuațiile pentru curgerea vâscoasă. Demonstrează relația dintre vâscozitatea dinamică și cea cinematică.

Osborne Reynolds introduce numărul Reynolds. Leagă vâscozitatea de regimul de curgere (laminar vs turbulent).

Viscozimetrul Saybolt este standardizat în SUA. Metoda cupei de scurgere devine standard în industria petrolieră.

Poise și stokes sunt denumite unități CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s devin standard.

Experimentul cu picătura de smoală începe la Universitatea din Queensland. Încă se desfășoară—cel mai lung experiment de laborator din istorie.

SI adoptă Pa·s și m²/s ca unități standard. Centipoise (cP) și centistokes (cSt) rămân comune.

ASTM D445 standardizează măsurarea vâscozității cinematice. Viscozimetrul capilar devine standard în industrie.

Viscozimetrele rotaționale permit măsurarea fluidelor non-newtoniene. Important pentru vopsele, polimeri, alimente.

Viscozimetrele digitale automatizează măsurarea. Băile cu temperatură controlată asigură precizie de ±0.01 cSt.

Selecția uleiului de motor, a fluidului hidraulic și a lubrifierii rulmenților:

• Grade SAE: 10W-30 înseamnă 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (intervale de vâscozitate cinematică)
• Grade ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (vâscozitate cinematică @ 40°C în cSt)
• Selecția rulmenților: Prea subțire = uzură, prea gros = frecare/căldură
• Indice de vâscozitate (VI): Măsoară sensibilitatea la temperatură (mai mare = mai bun)
• Uleiuri multigrad: Aditivii mențin vâscozitatea pe un interval larg de temperaturi
• Sisteme hidraulice: Tipic 32-68 cSt @ 40°C pentru performanțe optime

Specificații de vâscozitate pentru combustibil, țiței și rafinare:

• Păcură grea: Măsurată în cSt @ 50°C (trebuie încălzită pentru a putea fi pompată)
• Motorină: 2-4.5 cSt @ 40°C (specificație EN 590)
• Clasificarea țițeiului: Ușor (<10 cSt), mediu, greu (>50 cSt)
• Curgere în conducte: Vâscozitatea determină cerințele de putere pentru pompare
• Grade de combustibil marin: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces de rafinare: Spargerea vâscozității reduce fracțiile grele

Controlul calității și optimizarea proceselor:

• Clasificarea mierii: 2,000-10,000 cP @ 20°C (în funcție de umiditate)
• Consistența siropului: Sirop de arțar 150-200 cP, sirop de porumb 2,000+ cP
• Lactate: Vâscozitatea smântânii afectează textura și senzația în gură
• Ciocolată: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces de temperare)
• Carbonatarea băuturilor: Vâscozitatea afectează formarea bulelor
• Ulei de gătit: 50-100 cP @ 20°C (punctul de fumegare se corelează cu vâscozitatea)

Vopsea, adezivi, polimeri și controlul proceselor:

• Vâscozitatea vopselei: 70-100 KU (unități Krebs) pentru consistența aplicării
• Acoperire prin pulverizare: Tipic 20-50 cP (prea groasă înfundă, prea subțire curge)
• Adezivi: 500-50,000 cP în funcție de metoda de aplicare
• Topituri de polimeri: 100-100,000 Pa·s (extrudare/turnare)
• Cerneluri de tipar: 50-150 cP pentru flexografie, 1-5 P pentru offset
• Controlul calității: Vâscozitatea indică consistența lotului și durata de valabilitate

Vâscozitatea dinamică (Pa·s, poise) măsoară rezistența internă a fluidului la efortul de forfecare—'grosimea' sa absolută. Vâscozitatea cinematică (m²/s, stokes) este vâscozitatea dinamică împărțită la densitate—cât de repede curge sub acțiunea gravitației. Aveți nevoie de densitate pentru a converti între ele: ν = μ/ρ. Gândiți-vă astfel: mierea are o vâscozitate dinamică ridicată (este groasă), dar și mercurul are o vâscozitate cinematică ridicată, deși este 'subțire' (pentru că este foarte dens).

Nu fără a cunoaște densitatea fluidului la temperatura de măsurare. Pentru apă aproape de 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (deoarece densitatea apei ≈ 1 g/cm³). Dar pentru uleiul de motor (densitate ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Convertorul nostru blochează conversiile de tip încrucișat pentru a preveni erorile. Utilizați această formulă: cSt = cP / (densitatea în g/cm³).

Gradele de vâscozitate SAE specifică intervale de vâscozitate cinematică. '10W' înseamnă că îndeplinește cerințele de curgere la temperatură joasă (W = winter, testat la 0°F). '30' înseamnă că îndeplinește cerințele de vâscozitate la temperatură ridicată (testat la 212°F). Uleiurile multigrad (cum ar fi 10W-30) folosesc aditivi pentru a menține vâscozitatea pe un interval larg de temperaturi, spre deosebire de uleiurile monograd (SAE 30) care se subțiază dramatic la cald.

Secundele Universale Saybolt (SUS) măsoară cât timp durează pentru 60mL de fluid să se scurgă printr-un orificiu calibrat. Formula empirică este: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (pentru SUS > 32). De exemplu, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS este încă utilizat în specificațiile petroliere, deși este o metodă mai veche. Laboratoarele moderne folosesc viscozimetre cinematice care măsoară direct cSt conform ASTM D445.

Temperatura mai ridicată conferă moleculelor mai multă energie cinetică, permițându-le să alunece mai ușor una pe lângă alta. Pentru lichide, vâscozitatea scade de obicei cu 2-10% pe °C. Uleiul de motor la 20°C ar putea avea 200 cP, dar numai 15 cP la 100°C (o scădere de 13 ori!). Indicele de Vâscozitate (VI) măsoară această sensibilitate la temperatură: uleiurile cu VI ridicat (100+) își mențin mai bine vâscozitatea, cele cu VI scăzut (<50) se subțiază dramatic la încălzire.

Majoritatea sistemelor hidraulice funcționează optim la 25-50 cSt @ 40°C. Prea scăzută (<10 cSt) provoacă scurgeri interne și uzură. Prea ridicată (>100 cSt) provoacă răspuns lent, consum mare de energie și acumulare de căldură. Verificați specificațiile producătorului pompei—pompele cu palete preferă 25-35 cSt, pompele cu piston tolerează 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) este cel mai comun ulei hidraulic de uz general.

Nu există un maxim teoretic, dar măsurătorile practice devin dificile peste 1 milion cP (1000 Pa·s). Bitumul/smoala poate atinge 100 de miliarde de Pa·s. Unele topituri de polimeri depășesc 1 milion de Pa·s. La vâscozități extreme, granița dintre lichid și solid devine neclară—aceste materiale prezintă atât curgere vâscoasă (ca lichidele), cât și recuperare elastică (ca solidele), numită viscoelasticitate.

Poise îl onorează pe Jean Léonard Marie Poiseuille (anii 1840), care a studiat fluxul sanguin în capilare. Stokes îl onorează pe George Gabriel Stokes (anii 1850), care a dedus ecuațiile pentru curgerea vâscoasă și a demonstrat relația dintre vâscozitatea dinamică și cea cinematică. Un reyn (livră-forță secundă pe inch pătrat) este numit după Osbourne Reynolds (anii 1880), faimos pentru numărul Reynolds în dinamica fluidelor.