Meria vnútorný odpor voči šmykovému napätiu

Dynamická viskozita (nazývaná aj absolútna viskozita) kvantifikuje, aká sila je potrebná na posunutie jednej vrstvy tekutiny cez druhú. Je to vnútorná vlastnosť samotnej tekutiny, nezávislá od hustoty. Vyššie hodnoty znamenajú väčší odpor.

Vzorec: τ = μ × (du/dy), kde τ = šmykové napätie, du/dy = rýchlostný gradient

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

Dynamická viskozita delená hustotou

Kinematická viskozita meria, ako rýchlo tekutina tečie pod vplyvom gravitácie. Zohľadňuje vnútorný odpor (dynamickú viskozitu) aj hmotnosť na objem (hustotu). Používa sa, keď je dôležitý tok riadený gravitáciou, ako je vypúšťanie oleja alebo liatie kvapaliny.

Vzorec: ν = μ / ρ, kde μ = dynamická viskozita, ρ = hustota

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

• μ (dynamická) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (hustota) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Pomer: ν/μ ≈ 1.0 (voda je referenčná)

• μ (dynamická) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (hustota) = 850 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Poznámka: Kinematická je o 18 % vyššia ako dynamická (kvôli nižšej hustote)

• μ (dynamická) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (hustota) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Poznámka: Veľmi viskózny—1,400-krát hustejší ako voda

• μ (dynamická) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (hustota) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematická) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Poznámka: Nízka dynamická, vysoká kinematická (plyny majú nízku hustotu)

Štandard ASTM D88, široko používaný v Severnej Amerike pre ropné produkty

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (platné pre SUS > 32)

• Merané pri špecifických teplotách: 100°F (37.8°C) alebo 210°F (98.9°C)
• Bežný rozsah: 31-1000+ SUS
• Príklad: Olej SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Variant Saybolt Furol (SFS) pre veľmi viskózne tekutiny: ×10 väčší otvor

Britský štandard IP 70, bežný vo Veľkej Británii a bývalom Spoločenstve národov

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (platné pre RW1 > 34)

• Merané pri 70°F (21.1°C), 100°F alebo 140°F
• Variant Redwood č. 2 pre hustejšie tekutiny
• Konverzia: RW1 ≈ SUS × 1.15 (približne)
• Väčšinou nahradené štandardmi ISO, ale stále sa na ne odkazuje v starších špecifikáciách

Nemecký štandard DIN 51560, používaný v Európe a ropnom priemysle

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (platné pre °E > 1.2)

• Merané pri 20°C, 50°C alebo 100°C
• °E = 1.0 pre vodu @ 20°C (podľa definície)
• Bežný rozsah: 1.0-20°E
• Príklad: Nafta ≈ 3-5°E @ 20°C

Najdlhší laboratórny experiment na svete (od roku 1927) na University of Queensland ukazuje, ako smola (decht) tečie lievikom. Vyzerá ako pevná látka, ale v skutočnosti je to kvapalina s veľmi vysokou viskozitou—100 miliárdkrát viskóznejšia ako voda! Za 94 rokov spadlo iba 9 kvapiek.

Bazaltová láva (nízka viskozita, 10-100 Pa·s) vytvára mierne erupcie havajského typu s tečúcimi riekami. Ryolitická láva (vysoká viskozita, 100,000+ Pa·s) vytvára explozívne erupcie typu Mount St. Helens, pretože plyny nemôžu uniknúť. Viskozita doslova formuje sopečné hory.

Krv je 3-4× viskóznejšia ako voda (3-4 cP @ 37°C) vďaka červeným krvinkám. Vysoká viskozita krvi zvyšuje riziko mŕtvice/infarktu. Nízka dávka aspirínu znižuje viskozitu tým, že bráni zhlukovaniu krvných doštičiek. Testovanie viskozity krvi môže predpovedať kardiovaskulárne ochorenia.

Navzdory populárnemu mýtu nie sú staré okná na spodnej strane hrubšie v dôsledku tečenia. Viskozita skla pri izbovej teplote je 10²⁰ Pa·s (bilión biliónkrát viac ako u vody). Aby stieklo o 1 mm, trvalo by to dlhšie ako je vek vesmíru. Je to skutočná pevná látka, nie pomalá kvapalina.

SAE 10W-30 znamená: 10W = zimná viskozita @ 0°F (tečenie pri nízkej teplote), 30 = viskozita @ 212°F (ochrana pri prevádzkovej teplote). 'W' znamená zima (winter), nie váha (weight). Viacstupňové oleje používajú polyméry, ktoré sa v chlade zvinú (nízka viskozita) a v teple roztiahnu (udržujú viskozitu).

Vodné korčuliarky využívajú povrchové napätie, ale aj viskozitu vody. Ich pohyby nôh vytvárajú víry, ktoré tlačia proti viskóznemu odporu a poháňajú ich dopredu. V kvapaline s nulovou viskozitou (teoreticky) by sa nemohli pohybovať—kĺzali by bez trakcie.

Isaac Newton popisuje viskozitu v diele Principia Mathematica. Zavádza koncept 'vnútorného trenia' v tekutinách.

Jean Poiseuille študuje prietok krvi v kapilárach. Odvodzuje Poiseuillov zákon, ktorý spája prietok s viskozitou.

George Stokes odvodzuje rovnice pre viskózne prúdenie. Dokazuje vzťah medzi dynamickou a kinematickou viskozitou.

Osborne Reynolds zavádza Reynoldsovo číslo. Spája viskozitu s režimom prúdenia (laminárne vs. turbulentné).

Sayboltov viskozimeter je štandardizovaný v USA. Metóda výtokového pohára sa stáva štandardom v ropnom priemysle.

Poise a stokes sú pomenované ako jednotky CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s sa stávajú štandardom.

Experiment s kvapkou smoly sa začína na University of Queensland. Stále prebieha—najdlhší laboratórny experiment v histórii.

SI prijíma Pa·s a m²/s ako štandardné jednotky. Centipoise (cP) a centistokes (cSt) zostávajú bežné.

Štandard ASTM D445 štandardizuje meranie kinematickej viskozity. Kapilárny viskozimeter sa stáva priemyselným štandardom.

Rotačné viskozimetre umožňujú meranie nenewtonských tekutín. Dôležité pre farby, polyméry, potraviny.

Digitálne viskozimetre automatizujú meranie. Teplotne riadené kúpele zaisťujú presnosť ±0.01 cSt.

Výber motorového oleja, hydraulickej kvapaliny a mazanie ložísk:

• Triedy SAE: 10W-30 znamená 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (rozsahy kinematickej viskozity)
• Triedy ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematická viskozita @ 40°C v cSt)
• Výber ložísk: Príliš riedke = opotrebenie, príliš husté = trenie/teplo
• Viskozitný index (VI): Meria citlivosť na teplotu (vyšší = lepší)
• Viacstupňové oleje: Aditíva udržujú viskozitu v rôznych teplotách
• Hydraulické systémy: Typicky 32-68 cSt @ 40°C pre optimálny výkon

Špecifikácie viskozity pre palivo, ropu a rafináciu:

• Ťažký vykurovací olej: Meraný v cSt @ 50°C (musí sa zohriať pre čerpanie)
• Nafta: 2-4.5 cSt @ 40°C (špecifikácia EN 590)
• Klasifikácia ropy: Ľahká (<10 cSt), stredná, ťažká (>50 cSt)
• Prúdenie potrubím: Viskozita určuje požiadavky na výkon čerpadla
• Triedy lodného paliva: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces rafinácie: Viskózne krakovanie znižuje ťažké frakcie

Kontrola kvality a optimalizácia procesov:

• Triedenie medu: 2,000-10,000 cP @ 20°C (v závislosti od vlhkosti)
• Konzistencia sirupu: Javorový sirup 150-200 cP, kukuričný sirup 2,000+ cP
• Mliečne výrobky: Viskozita smotany ovplyvňuje textúru a pocit v ústach
• Čokoláda: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces temperovania)
• Sýtenie nápojov: Viskozita ovplyvňuje tvorbu bublín
• Olej na varenie: 50-100 cP @ 20°C (bod zadymenia súvisí s viskozitou)

Farby, lepidlá, polyméry a riadenie procesov:

• Viskozita farby: 70-100 KU (Krebsove jednotky) pre konzistenciu aplikácie
• Nástrek: Typicky 20-50 cP (príliš hustá upcháva, príliš riedka steká)
• Lepidlá: 500-50,000 cP v závislosti od metódy aplikácie
• Taveniny polymérov: 100-100,000 Pa·s (extrúzia/vstrekovanie)
• Tlačiarenské farby: 50-150 cP pre flexografiu, 1-5 P pre ofset
• Kontrola kvality: Viskozita indikuje konzistenciu šarže a trvanlivosť

Dynamická viskozita (Pa·s, poise) meria vnútorný odpor tekutiny voči šmyku—jej absolútnu 'hustotu'. Kinematická viskozita (m²/s, stokes) je dynamická viskozita delená hustotou—ako rýchlo tečie pod vplyvom gravitácie. Na konverziu medzi nimi potrebujete hustotu: ν = μ/ρ. Predstavte si to takto: med má vysokú dynamickú viskozitu (je hustý), ale ortuť má tiež vysokú kinematickú viskozitu, aj keď je 'riedka' (pretože je veľmi hustá).

Nie bez znalosti hustoty tekutiny pri teplote merania. Pre vodu blízko 20°C platí 1 cP ≈ 1 cSt (pretože hustota vody je ≈ 1 g/cm³). Ale pre motorový olej (hustota ≈ 0.9) platí 90 cP = 100 cSt. Náš konvertor blokuje krížové konverzie, aby sa predišlo chybám. Použite tento vzorec: cSt = cP / (hustota v g/cm³).

Triedy viskozity SAE špecifikujú rozsahy kinematickej viskozity. '10W' znamená, že spĺňa požiadavky na tok pri nízkej teplote (W = winter, testované pri 0°F). '30' znamená, že spĺňa požiadavky na viskozitu pri vysokej teplote (testované pri 212°F). Viacstupňové oleje (ako 10W-30) používajú aditíva na udržanie viskozity v rôznych teplotách, na rozdiel od jednostupňových olejov (SAE 30), ktoré sa pri zahriatí dramaticky zriedia.

Sayboltove univerzálne sekundy (SUS) merajú, ako dlho trvá, kým 60 ml tekutiny vytečie kalibrovaným otvorom. Empirický vzorec je: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (pre SUS > 32). Napríklad 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS sa stále používa v ropných špecifikáciách, aj keď je to staršia metóda. Moderné laboratóriá používajú kinematické viskozimetre, ktoré priamo merajú cSt podľa ASTM D445.

Vyššia teplota dáva molekulám viac kinetickej energie, čo im umožňuje ľahšie kĺzať jedna cez druhú. U kvapalín viskozita typicky klesá o 2-10 % na °C. Motorový olej pri 20°C môže mať 200 cP, ale pri 100°C iba 15 cP (13-násobný pokles!). Viskozitný Index (VI) meria túto teplotnú citlivosť: oleje s vysokým VI (100+) si lepšie udržujú viskozitu, oleje s nízkym VI (<50) sa pri zahriatí dramaticky zriedia.

Väčšina hydraulických systémov funguje najlepšie pri 25-50 cSt @ 40°C. Príliš nízka (<10 cSt) spôsobuje vnútorné úniky a opotrebenie. Príliš vysoká (>100 cSt) spôsobuje pomalú reakciu, vysokú spotrebu energie a hromadenie tepla. Skontrolujte špecifikáciu výrobcu vášho čerpadla—lopatkové čerpadlá preferujú 25-35 cSt, piestové čerpadlá tolerujú 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) je najbežnejší univerzálny hydraulický olej.

Neexistuje teoretické maximum, ale praktické merania sa stávajú ťažké nad 1 milión cP (1000 Pa·s). Bitúmen/smola môže dosiahnuť 100 miliárd Pa·s. Niektoré taveniny polymérov presahujú 1 milión Pa·s. Pri extrémnych viskozitách sa hranica medzi kvapalinou a pevnou látkou stiera—tieto materiály vykazujú ako viskózne prúdenie (ako kvapaliny), tak aj elastickú obnovu (ako pevné látky), čo sa nazýva viskoelasticita.

Poise je na počesť Jeana Léonarda Marie Poiseuille (1840-te roky), ktorý študoval prietok krvi v kapilárach. Stokes je na počesť Georgea Gabriela Stokesa (1850-te roky), ktorý odvodil rovnice pre viskózne prúdenie a dokázal vzťah medzi dynamickou a kinematickou viskozitou. Reyn (libra-sila sekunda na štvorcový palec) je pomenovaný po Osbourne Reynoldsovi (1880-te roky), známom vďaka Reynoldsovmu číslu v dynamike tekutín.