Meri unutrašnji otpor na smicanje

Dinamička viskoznost (takođe nazvana apsolutna viskoznost) kvantifikuje koliko je sile potrebno da se jedan sloj fluida pomeri preko drugog. To je suštinsko svojstvo samog fluida, nezavisno od gustine. Veće vrednosti znače veći otpor.

Formula: τ = μ × (du/dy) gde je τ = napon smicanja, du/dy = gradijent brzine

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

Dinamička viskoznost podeljena sa gustinom

Kinematička viskoznost meri koliko brzo fluid teče pod uticajem gravitacije. Uzima u obzir i unutrašnji otpor (dinamička viskoznost) i masu po zapremini (gustinu). Koristi se kada je važan protok pod uticajem gravitacije, poput isticanja ulja ili izlivanja tečnosti.

Formula: ν = μ / ρ gde je μ = dinamička viskoznost, ρ = gustina

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

• μ (dinamička) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (gustina) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Odnos: ν/μ ≈ 1.0 (voda je referenca)

• μ (dinamička) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (gustina) = 850 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Napomena: Kinematička je 18% veća od dinamičke (zbog niže gustine)

• μ (dinamička) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (gustina) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Napomena: Vrlo viskozno—1,400× gušće od vode

• μ (dinamička) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (gustina) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematička) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Napomena: Niska dinamička, visoka kinematička (gasovi imaju nisku gustinu)

ASTM D88 standard, široko korišćen u Severnoj Americi za naftne derivate

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

• Mereno na specifičnim temperaturama: 100°F (37.8°C) ili 210°F (98.9°C)
• Uobičajeni raspon: 31-1000+ SUS
• Primer: SAE 30 ulje ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) varijanta za vrlo viskozne fluide: ×10 veći otvor

Britanski IP 70 standard, uobičajen u UK i bivšem Komonveltu

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

• Mereno na 70°F (21.1°C), 100°F, ili 140°F
• Redwood br. 2 varijanta za gušće fluide
• Konverzija: RW1 ≈ SUS × 1.15 (približno)
• Uglavnom zamenjen ISO standardima, ali se i dalje navodi u starijim specifikacijama

DIN 51560 nemački standard, koristi se u Evropi i naftnoj industriji

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

• Mereno na 20°C, 50°C, ili 100°C
• °E = 1.0 za vodu @ 20°C (po definiciji)
• Uobičajeni raspon: 1.0-20°E
• Primer: Dizel gorivo ≈ 3-5°E @ 20°C

Najduži laboratorijski eksperiment na svetu (od 1927.) na Univerzitetu u Queenslandu prikazuje smolu (katran) kako teče kroz levak. Izgleda čvrsto, ali je zapravo tečnost vrlo visoke viskoznosti—100 milijardi puta viskoznija od vode! Samo 9 kapi je palo u 94 godine.

Bazaltna lava (niska viskoznost, 10-100 Pa·s) stvara blage erupcije havajskog stila s tekućim rekama. Riolitska lava (visoka viskoznost, 100,000+ Pa·s) stvara eksplozivne erupcije stila planine St. Helens jer gasovi ne mogu pobeći. Viskoznost doslovno oblikuje vulkanske planine.

Krv je 3-4× viskoznija od vode (3-4 cP @ 37°C) zbog crvenih krvnih zrnaca. Visoka viskoznost krvi povećava rizik od moždanog/srčanog udara. Niske doze aspirina smanjuju viskoznost sprečavajući agregaciju trombocita. Testiranje viskoznosti krvi može predvideti kardiovaskularne bolesti.

Suprotno popularnom mitu, stari prozori nisu deblji na dnu zbog protoka. Viskoznost stakla na sobnoj temperaturi je 10²⁰ Pa·s (trilion triliona puta veća od vode). Da bi poteklo 1mm trebalo bi više vremena od starosti svemira. To je pravo čvrsto telo, a ne spora tečnost.

SAE 10W-30 znači: 10W = zimska viskoznost @ 0°F (protok na niskoj temperaturi), 30 = viskoznost @ 212°F (zaštita na radnoj temperaturi). 'W' je za zimu (winter), a ne za težinu (weight). Višegradna ulja koriste polimere koji se skupljaju na hladnoći (niska viskoznost) i šire na toploti (održavaju viskoznost).

Gazači po vodi iskorišćavaju površinsku napetost, ali takođe koriste i viskoznost vode. Njihovi pokreti nogu stvaraju vrtloge koji se opiru viskoznom otporu, pokrećući ih napred. U fluidu nulte viskoznosti (teoretski), ne bi se mogli kretati—klizali bi se bez trenja.

Isaac Newton opisuje viskoznost u Principia Mathematica. Uvodi koncept 'unutrašnjeg trenja' u fluidima.

Jean Poiseuille proučava protok krvi u kapilarama. Izvodi Poiseuilleov zakon koji povezuje brzinu protoka s viskoznošću.

George Stokes izvodi jednačine za viskozni protok. Dokazuje vezu između dinamičke i kinematičke viskoznosti.

Osborne Reynolds uvodi Reynoldsov broj. Povezuje viskoznost s režimom protoka (laminarni naspram turbulentnog).

Sayboltov viskozimetar standardizovan u SAD-u. Metoda ispusne čaše postaje industrijski standard za naftu.

Poise i stokes imenovani kao CGS jedinice. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s postaju standard.

Eksperiment s kapljicom smole počinje na Univerzitetu u Queenslandu. Još uvek traje—najduži laboratorijski eksperiment ikada.

SI usvaja Pa·s i m²/s kao standardne jedinice. Centipoise (cP) i centistokes (cSt) ostaju uobičajeni.

ASTM D445 standardizuje merenje kinematičke viskoznosti. Kapilarni viskozimetar postaje industrijski standard.

Rotacioni viskozimetri omogućavaju merenje nenjutnovskih fluida. Važno za boje, polimere, hranu.

Digitalni viskozimetri automatizuju merenje. Temperaturno kontrolisane kupke osiguravaju preciznost do ±0.01 cSt.

Odabir motornog ulja, hidraulične tečnosti i podmazivanja ležajeva:

• SAE gradacije: 10W-30 znači 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (rasponi kinematičke viskoznosti)
• ISO VG gradacije: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematička viskoznost @ 40°C u cSt)
• Odabir ležajeva: Preretko = habanje, previše gusto = trenje/toplota
• Indeks viskoznosti (VI): Meri osetljivost na temperaturu (više = bolje)
• Višegradna ulja: Aditivi održavaju viskoznost u različitim temperaturama
• Hidraulički sistemi: Tipično 32-68 cSt @ 40°C za optimalne performanse

Specifikacije viskoznosti za gorivo, sirovu naftu i preradu:

• Teško lož ulje: Mereno u cSt @ 50°C (mora se zagrejati za pumpanje)
• Dizel: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590 specifikacija)
• Klasifikacija sirove nafte: Lagana (<10 cSt), srednja, teška (>50 cSt)
• Protok u cevovodu: Viskoznost određuje zahteve za snagom pumpanja
• Gradacije brodskog goriva: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Proces prerade: Visk-kreking smanjuje teške frakcije

Kontrola kvaliteta i optimizacija procesa:

• Ocjenjivanje meda: 2,000-10,000 cP @ 20°C (zavisno o vlažnosti)
• Konzistencija sirupa: Javorov sirup 150-200 cP, kukuruzni sirup 2,000+ cP
• Mlečni proizvodi: Viskoznost pavlake utiče na teksturu i osećaj u ustima
• Čokolada: 10,000-20,000 cP @ 40°C (proces temperiranja)
• Karbonizacija pića: Viskoznost utiče na formiranje mehurića
• Ulje za kuvanje: 50-100 cP @ 20°C (tačka dimljenja korelira s viskoznošću)

Boje, lepkovi, polimeri i kontrola procesa:

• Viskoznost boje: 70-100 KU (Krebs jedinice) za konzistenciju nanošenja
• Premazivanje prskanjem: Tipično 20-50 cP (pregusto začepljuje, preretko curi)
• Lepkovi: 500-50,000 cP zavisno o metodi nanošenja
• Polimerni talozi: 100-100,000 Pa·s (ekstruzija/oblikovanje)
• Štamparske boje: 50-150 cP za fleksografiju, 1-5 P za ofset
• Kontrola kvaliteta: Viskoznost ukazuje na konzistentnost serije i rok trajanja

Dinamička viskoznost (Pa·s, poise) meri unutrašnji otpor fluida na smicanje—njegovu apsolutnu 'gustoću'. Kinematička viskoznost (m²/s, stokes) je dinamička viskoznost podeljena s gustinom—koliko brzo teče pod uticajem gravitacije. Potrebna vam je gustina da biste ih konvertovali: ν = μ/ρ. Razmislite ovako: med ima visoku dinamičku viskoznost (gust je), ali živa takođe ima visoku kinematičku viskoznost iako je 'retka' (jer je vrlo gusta).

Ne bez poznavanja gustine fluida na temperaturi merenja. Za vodu blizu 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (jer je gustina vode ≈ 1 g/cm³). Ali za motorno ulje (gustina ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Naš konverter blokira unakrsne konverzije kako bi sprečio greške. Koristite ovu formulu: cSt = cP / (gustina u g/cm³).

SAE gradacije viskoznosti specificiraju raspone kinematičke viskoznosti. '10W' znači da zadovoljava zahteve za protok na niskim temperaturama (W = winter, testirano na 0°F). '30' znači da zadovoljava zahteve za viskoznost na visokim temperaturama (testirano na 212°F). Višegradna ulja (poput 10W-30) koriste aditive za održavanje viskoznosti u različitim temperaturama, za razliku od monogradnih ulja (SAE 30) koja se dramatično razređuju kada su vruća.

Saybolt Univerzalne Sekunde (SUS) mere koliko je vremena potrebno da 60mL fluida iscuri kroz kalibrirani otvor. Empirijska formula je: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (za SUS > 32). Na primer, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS se i dalje koristi u naftnim specifikacijama iako je starija metoda. Moderne laboratorije koriste kinematičke viskozimetre koji direktno mere cSt prema ASTM D445.

Viša temperatura daje molekulima više kinetičke energije, omogućavajući im da lakše klize jedna pored druge. Za tečnosti, viskoznost tipično opada 2-10% po °C. Motorno ulje na 20°C može biti 200 cP, ali samo 15 cP na 100°C (13× smanjenje!). Indeks viskoznosti (VI) meri ovu temperaturnu osetljivost: ulja s visokim VI (100+) bolje održavaju viskoznost, dok se ona s niskim VI (<50) dramatično razređuju pri zagrevanju.

Većina hidrauličkih sistema najbolje radi na 25-50 cSt @ 40°C. Preniska (<10 cSt) uzrokuje unutrašnje curenje i habanje. Previsoka (>100 cSt) uzrokuje spor odziv, visoku potrošnju energije i nakupljanje toplote. Proverite specifikacije proizvođača vaše pumpe—krilne pumpe preferiraju 25-35 cSt, dok klipne pumpe tolerišu 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) je najčešće hidraulično ulje opšte namene.

Ne postoji teoretski maksimum, ali praktična merenja postaju teška iznad 1 milion cP (1000 Pa·s). Bitumen/smola može doseći 100 milijardi Pa·s. Neki polimerni talozi prelaze 1 milion Pa·s. Pri ekstremnim viskoznostima, granica između tečnosti i čvrstog tela se zamagljuje—ovi materijali pokazuju i viskozni protok (poput tečnosti) i elastični oporavak (poput čvrstih tela), što se naziva viskoelastičnost.

Poise odaje počast Jeanu Léonardu Marie Poiseuilleu (1840-ih), koji je proučavao protok krvi u kapilarama. Stokes odaje počast Georgeu Gabrielu Stokesu (1850-ih), koji je izveo jednačine za viskozni protok i dokazao vezu između dinamičke i kinematičke viskoznosti. Reyn (funta-sila sekunda po kvadratnom inču) je nazvan po Osbourneu Reynoldsu (1880-ih), poznatom po Reynoldsovom broju u dinamici fluida.