Meri notranji upor proti strižni napetosti

Dinamična viskoznost (imenovana tudi absolutna viskoznost) kvantificira, koliko sile je potrebno za premik ene plasti fluida čez drugo. To je lastnost samega fluida, neodvisna od gostote. Višje vrednosti pomenijo večji upor.

Formula: τ = μ × (du/dy), kjer je τ = strižna napetost, du/dy = hitrostni gradient

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

Dinamična viskoznost, deljena z gostoto

Kinematična viskoznost meri, kako hitro fluid teče pod vplivom gravitacije. Upošteva tako notranji upor (dinamična viskoznost) kot maso na prostornino (gostoto). Uporablja se, kadar je pomemben tok, ki ga poganja gravitacija, na primer pri odtekanju olja ali prelivanju tekočine.

Formula: ν = μ / ρ, kjer je μ = dinamična viskoznost, ρ = gostota

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

• μ (dinamična) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (gostota) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematična) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Razmerje: ν/μ ≈ 1.0 (voda je referenca)

• μ (dinamična) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (gostota) = 850 kg/m³
• ν (kinematična) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Opomba: Kinematična je za 18% višja od dinamične (zaradi nižje gostote)

• μ (dinamična) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (gostota) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematična) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Opomba: Zelo viskozen—1,400-krat gostejši od vode

• μ (dinamična) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (gostota) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematična) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Opomba: Nizka dinamična, visoka kinematična (plini imajo nizko gostoto)

Standard ASTM D88, široko uporabljen v Severni Ameriki za naftne derivate

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (velja za SUS > 32)

• Merjeno pri specifičnih temperaturah: 100°F (37.8°C) ali 210°F (98.9°C)
• Običajni razpon: 31-1000+ SUS
• Primer: Olje SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Varianta Saybolt Furol (SFS) za zelo viskozne fluide: ×10 večja odprtina

Britanski standard IP 70, pogost v Združenem kraljestvu in nekdanji Skupnosti narodov

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (velja za RW1 > 34)

• Merjeno pri 70°F (21.1°C), 100°F ali 140°F
• Varianta Redwood št. 2 za gostejše fluide
• Pretvorba: RW1 ≈ SUS × 1.15 (približno)
• Večinoma nadomeščen s standardi ISO, vendar se še vedno omenja v starejših specifikacijah

Nemški standard DIN 51560, uporabljen v Evropi in naftni industriji

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (velja za °E > 1.2)

• Merjeno pri 20°C, 50°C ali 100°C
• °E = 1.0 za vodo pri 20°C (po definiciji)
• Običajni razpon: 1.0-20°E
• Primer: Dizelsko gorivo ≈ 3-5°E @ 20°C

Najdaljši laboratorijski eksperiment na svetu (od leta 1927) na Univerzi v Queenslandu prikazuje smolo (katran), ki teče skozi lijak. Videti je trdna, vendar je v resnici tekočina z zelo visoko viskoznostjo—100 milijardkrat bolj viskozna od vode! V 94 letih je padlo le 9 kapljic.

Bazaltna lava (nizka viskoznost, 10-100 Pa·s) ustvarja blage izbruhe v havajskem slogu s tekočimi rekami. Riolitna lava (visoka viskoznost, 100,000+ Pa·s) ustvarja eksplozivne izbruhe v slogu gore Sv. Helene, ker plini ne morejo uiti. Viskoznost dobesedno oblikuje vulkanske gore.

Kri je 3-4-krat bolj viskozna od vode (3-4 cP pri 37°C) zaradi rdečih krvnih celic. Visoka viskoznost krvi povečuje tveganje za možgansko kap/srčni infarkt. Nizke doze aspirina zmanjšujejo viskoznost s preprečevanjem agregacije trombocitov. Testiranje viskoznosti krvi lahko napove bolezni srca in ožilja.

V nasprotju s priljubljenim mitom stara okna niso debelejša na dnu zaradi pretoka. Viskoznost stekla pri sobni temperaturi je 10²⁰ Pa·s (trilijon trilijonovkrat večja od vode). Da bi steklo poteklo 1 mm, bi trajalo dlje kot je starost vesolja. Je prava trdna snov, ne počasna tekočina.

SAE 10W-30 pomeni: 10W = zimska viskoznost pri 0°F (tok pri nizki temperaturi), 30 = viskoznost pri 212°F (zaščita pri delovni temperaturi). 'W' je za zimo (winter), ne za težo (weight). Večgradna olja uporabljajo polimere, ki se na mrazu zvijejo (nizka viskoznost) in na toplem razširijo (ohranjajo viskoznost).

Vodomerci izkoriščajo površinsko napetost, vendar se opirajo tudi na viskoznost vode. Njihovi gibi nog ustvarjajo vrtince, ki se upirajo viskoznemu uporu in jih poganjajo naprej. V fluidu z ničelno viskoznostjo (teoretično) se ne bi mogli premikati—zdrsnili bi brez oprijema.

Isaac Newton opiše viskoznost v Principia Mathematica. Uvede koncept 'notranjega trenja' v fluidih.

Jean Poiseuille preučuje pretok krvi v kapilarah. Izpelje Poiseuillov zakon, ki povezuje pretok z viskoznostjo.

George Stokes izpelje enačbe za viskozni tok. Dokaže razmerje med dinamično in kinematično viskoznostjo.

Osborne Reynolds uvede Reynoldsovo število. Poveže viskoznost z režimom toka (laminarni proti turbulentnemu).

Sayboltov viskozimeter je standardiziran v ZDA. Metoda iztočne posode postane industrijski standard za nafto.

Poise in stokes sta poimenovana kot enoti CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s postaneta standard.

Eksperiment s kapljico smole se začne na Univerzi v Queenslandu. Še vedno poteka—najdaljši laboratorijski eksperiment v zgodovini.

SI sprejme Pa·s in m²/s kot standardni enoti. Centipoise (cP) in centistokes (cSt) ostajata pogosta.

ASTM D445 standardizira merjenje kinematične viskoznosti. Kapilarni viskozimeter postane industrijski standard.

Rotacijski viskozimetri omogočajo merjenje nenewtonskih fluidov. Pomembno za barve, polimere, hrano.

Digitalni viskozimetri avtomatizirajo merjenje. Temperaturno nadzorovane kopeli zagotavljajo natančnost do ±0.01 cSt.

Izbira motornega olja, hidravlične tekočine in mazanja ležajev:

• Razredi SAE: 10W-30 pomeni 10W pri 0°F, 30 pri 212°F (razponi kinematične viskoznosti)
• Razredi ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematična viskoznost pri 40°C v cSt)
• Izbira ležajev: Preredko = obraba, pregosto = trenje/toplota
• Indeks viskoznosti (VI): Meri občutljivost na temperaturo (višji = boljši)
• Večgradna olja: Aditivi ohranjajo viskoznost pri različnih temperaturah
• Hidravlični sistemi: Običajno 32-68 cSt pri 40°C za optimalno delovanje

Specifikacije viskoznosti za gorivo, surovo nafto in rafiniranje:

• Težko kurilno olje: Merjeno v cSt pri 50°C (mora se segreti za črpanje)
• Dizel: 2-4.5 cSt pri 40°C (specifikacija EN 590)
• Klasifikacija surove nafte: Lahka (<10 cSt), srednja, težka (>50 cSt)
• Pretok po cevovodu: Viskoznost določa zahteve po moči črpanja
• Razredi bunker goriva: IFO 180, IFO 380 (cSt pri 50°C)
• Postopek rafiniranja: Visbreaking zmanjšuje težke frakcije

Nadzor kakovosti in optimizacija procesov:

• Razvrščanje medu: 2,000-10,000 cP pri 20°C (odvisno od vlažnosti)
• Konzistenca sirupa: Javorjev sirup 150-200 cP, koruzni sirup 2,000+ cP
• Mlečni izdelki: Viskoznost smetane vpliva na teksturo in občutek v ustih
• Čokolada: 10,000-20,000 cP pri 40°C (postopek temperiranja)
• Gaziranje pijač: Viskoznost vpliva na nastanek mehurčkov
• Olje za kuhanje: 50-100 cP pri 20°C (točka dimljenja je povezana z viskoznostjo)

Barve, lepila, polimeri in nadzor procesov:

• Viskoznost barve: 70-100 KU (enote Krebs) za konsistenco nanosa
• Premaz z brizganjem: Običajno 20-50 cP (pregosto zamaši, preredko teče)
• Lepila: 500-50,000 cP odvisno od metode nanosa
• Polimerni talini: 100-100,000 Pa·s (ekstruzija/oblikovanje)
• Tiskarske barve: 50-150 cP za fleksografijo, 1-5 P za ofset
• Nadzor kakovosti: Viskoznost kaže na konsistenco serije in rok uporabnosti

Dinamična viskoznost (Pa·s, poise) meri notranji upor fluida proti striženju—njegovo absolutno 'gostoto'. Kinematična viskoznost (m²/s, stokes) je dinamična viskoznost, deljena z gostoto—kako hitro teče pod vplivom gravitacije. Za pretvorbo med njima potrebujete gostoto: ν = μ/ρ. Pomislite takole: med ima visoko dinamično viskoznost (je gost), vendar ima tudi živo srebro visoko kinematično viskoznost, čeprav je 'redko' (ker je zelo gosto).

Ne brez poznavanja gostote fluida pri merilni temperaturi. Za vodo blizu 20°C velja 1 cP ≈ 1 cSt (ker je gostota vode ≈ 1 g/cm³). Toda za motorno olje (gostota ≈ 0.9) velja 90 cP = 100 cSt. Naš pretvornik blokira navzkrižne pretvorbe, da prepreči napake. Uporabite to formulo: cSt = cP / (gostota v g/cm³).

Razredi viskoznosti SAE določajo razpone kinematične viskoznosti. '10W' pomeni, da izpolnjuje zahteve za pretok pri nizki temperaturi (W = winter, testirano pri 0°F). '30' pomeni, da izpolnjuje zahteve za viskoznost pri visoki temperaturi (testirano pri 212°F). Večgradna olja (kot je 10W-30) uporabljajo aditive za ohranjanje viskoznosti pri različnih temperaturah, za razliko od enogradnih olj (SAE 30), ki se dramatično redčijo, ko so vroča.

Saybolt Univerzalne Sekunde (SUS) merijo, koliko časa potrebuje 60 ml fluida, da izteče skozi kalibrirano odprtino. Empirična formula je: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (za SUS > 32). Na primer, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS se še vedno uporablja v naftnih specifikacijah, čeprav je starejša metoda. Sodobni laboratoriji uporabljajo kinematične viskozimetre, ki neposredno merijo cSt v skladu z ASTM D445.

Višja temperatura daje molekulam več kinetične energije, kar jim omogoča lažje drsenje druga mimo druge. Pri tekočinah viskoznost običajno pade za 2-10% na °C. Motorno olje pri 20°C je lahko 200 cP, pri 100°C pa le 15 cP (13-kratno zmanjšanje!). Indeks viskoznosti (VI) meri to temperaturno občutljivost: olja z visokim VI (100+) bolje ohranjajo viskoznost, olja z nizkim VI (<50) pa se pri segrevanju dramatično redčijo.

Večina hidravličnih sistemov najbolje deluje pri 25-50 cSt @ 40°C. Prenizka (<10 cSt) povzroča notranje puščanje in obrabo. Previsoka (>100 cSt) povzroča počasen odziv, visoko porabo energije in kopičenje toplote. Preverite specifikacijo proizvajalca vaše črpalke—lopatne črpalke imajo raje 25-35 cSt, batne črpalke pa tolerirajo 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) je najpogostejše hidravlično olje za splošno uporabo.

Teoretičnega maksimuma ni, vendar praktična merjenja postanejo težka nad 1 milijonom cP (1000 Pa·s). Bitumen/smola lahko doseže 100 milijard Pa·s. Nekateri polimerni talini presegajo 1 milijon Pa·s. Pri ekstremnih viskoznostih meja med tekočino in trdno snovjo postane nejasna—ti materiali kažejo tako viskozni tok (kot tekočine) kot elastično obnovo (kot trdne snovi), kar se imenuje viskoelastičnost.

Poise je v čast Jeanu Léonardu Marieju Poiseuillu (1840-ta), ki je preučeval pretok krvi v kapilarah. Stokes je v čast Georgeu Gabrielu Stokesu (1850-ta), ki je izpeljal enačbe za viskozni tok in dokazal razmerje med dinamično in kinematično viskoznostjo. Reyn (funt-sila sekunda na kvadratni palec) je poimenovan po Osbourneu Reynoldsu (1880-ta), znanem po Reynoldsovem številu v dinamiki fluidov.