Hupima upinzani wa ndani dhidi ya mkazo wa kukata

Mnato wa nguvu (pia huitwa mnato kamili) hupima ni kiasi gani cha nguvu kinachohitajika ili kusogeza safu moja ya majimaji juu ya nyingine. Ni tabia ya ndani ya majimaji yenyewe, isiyohusiana na msongamano. Thamani za juu zinamaanisha upinzani mkubwa zaidi.

Fomula: τ = μ × (du/dy) ambapo τ = mkazo wa kukata, du/dy = mwinuko wa kasi

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

Mnato wa nguvu ukigawanywa na msongamano

Mnato wa sinematiki hupima jinsi majimaji yanavyotiririka haraka chini ya mvuto. Huzingatia upinzani wa ndani (mnato wa nguvu) na uzito kwa ujazo (msongamano). Hutumika wakati mtiririko unaoendeshwa na mvuto ni muhimu, kama vile kumwaga mafuta au kumimina kioevu.

Fomula: ν = μ / ρ ambapo μ = mnato wa nguvu, ρ = msongamano

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

• μ (nguvu) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (msongamano) = 998.2 kg/m³
• ν (sinematiki) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Uwiano: ν/μ ≈ 1.0 (maji ni kigezo)

• μ (nguvu) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (msongamano) = 850 kg/m³
• ν (sinematiki) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Kumbuka: Sinematiki ni 18% juu kuliko nguvu (kwa sababu ya msongamano mdogo)

• μ (nguvu) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (msongamano) = 1,261 kg/m³
• ν (sinematiki) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Kumbuka: Ina mnato mwingi sana—mara 1,400 nzito kuliko maji

• μ (nguvu) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (msongamano) = 1.204 kg/m³
• ν (sinematiki) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Kumbuka: Nguvu ndogo, sinematiki ya juu (gesi zina msongamano mdogo)

Kiwango cha ASTM D88, kinachotumiwa sana Amerika Kaskazini kwa bidhaa za petroli

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (halali kwa SUS > 32)

• Hupimwa kwa joto maalum: 100°F (37.8°C) au 210°F (98.9°C)
• Masafa ya kawaida: 31-1000+ SUS
• Mfano: Mafuta ya SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Aina ya Saybolt Furol (SFS) kwa majimaji yenye mnato mwingi sana: tundu kubwa mara ×10

Kiwango cha Uingereza IP 70, kinachojulikana nchini Uingereza na Jumuiya ya Madola ya zamani

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (halali kwa RW1 > 34)

• Hupimwa kwa 70°F (21.1°C), 100°F, au 140°F
• Aina ya Redwood Na. 2 kwa majimaji mazito zaidi
• Ubadilishaji: RW1 ≈ SUS × 1.15 (takriban)
• Kwa kiasi kikubwa imebadilishwa na viwango vya ISO lakini bado inarejelewa katika maelezo ya zamani

Kiwango cha Ujerumani DIN 51560, kinachotumiwa Ulaya na katika sekta ya petroli

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (halali kwa °E > 1.2)

• Hupimwa kwa 20°C, 50°C, au 100°C
• °E = 1.0 kwa maji @ 20°C (kwa ufafanuzi)
• Masafa ya kawaida: 1.0-20°E
• Mfano: Mafuta ya dizeli ≈ 3-5°E @ 20°C

Jaribio refu zaidi la maabara duniani (tangu 1927) katika Chuo Kikuu cha Queensland linaonyesha lami ikitiririka kupitia faneli. Inaonekana kama dhabiti lakini kwa kweli ni kioevu chenye mnato wa juu sana—mara bilioni 100 zaidi ya maji! Matone 9 tu yameanguka katika miaka 94.

Lava ya basaltic (mnato mdogo, 10-100 Pa·s) huunda milipuko ya upole ya mtindo wa Hawaii yenye mito inayotiririka. Lava ya rhyolitic (mnato wa juu, 100,000+ Pa·s) huunda milipuko ya kulipuka ya mtindo wa Mlima St. Helens kwa sababu gesi haziwezi kutoroka. Mnato huunda milima ya volkeno kihalisi.

Damu ina mnato mara 3-4 zaidi ya maji (3-4 cP @ 37°C) kwa sababu ya seli nyekundu za damu. Mnato wa juu wa damu huongeza hatari ya kiharusi/shambulio la moyo. Aspirini ya dozi ndogo hupunguza mnato kwa kuzuia mgando wa pleti. Mtihani wa mnato wa damu unaweza kutabiri ugonjwa wa moyo na mishipa.

Kinyume na hadithi maarufu, madirisha ya zamani si mazito zaidi chini kwa sababu ya mtiririko. Mnato wa kioo kwenye joto la kawaida ni 10²⁰ Pa·s (trilioni trilioni mara zaidi ya maji). Ili kutiririka 1mm itachukua muda mrefu kuliko umri wa ulimwengu. Ni dhabiti halisi, si kioevu cha polepole.

SAE 10W-30 inamaanisha: 10W = mnato wa baridi @ 0°F (mtiririko wa joto la chini), 30 = mnato @ 212°F (ulinzi wa joto la kufanya kazi). 'W' ni ya baridi (winter), si uzito (weight). Mafuta ya viwango vingi hutumia polima ambazo hujikunja zinapokuwa baridi (mnato mdogo) na kupanuka zinapokuwa moto (hudumisha mnato).

Wadudu wa maji hutumia mvutano wa uso, lakini pia hutumia mnato wa maji. Miondoko ya miguu yao huunda vimbunga ambavyo husukuma dhidi ya upinzani wa mnato, vikiwasukuma mbele. Katika majimaji yasiyo na mnato (nadharia), wasingeweza kusonga—wangeteleza bila mvuto.

Isaac Newton anafafanua mnato katika Principia Mathematica. Anzisha dhana ya 'msuguano wa ndani' katika majimaji.

Jean Poiseuille anasoma mtiririko wa damu katika kapilari. Anatoa Sheria ya Poiseuille inayohusisha kiwango cha mtiririko na mnato.

George Stokes anatoa milinganyo ya mtiririko wa mnato. Anathibitisha uhusiano kati ya mnato wa nguvu na sinematiki.

Osborne Reynolds anazindua nambari ya Reynolds. Anahusisha mnato na utawala wa mtiririko (laini dhidi ya msukosuko).

Viscometer ya Saybolt inasanifishwa nchini Marekani. Mbinu ya kikombe cha mtiririko inakuwa kiwango cha sekta ya petroli.

Poise na stokes zinaitwa kama vitengo vya CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s zinakuwa kiwango.

Jaribio la tone la lami linaanza katika Chuo Kikuu cha Queensland. Bado linaendelea—jaribio refu zaidi la maabara kuwahi kutokea.

SI inakubali Pa·s na m²/s kama vitengo vya kawaida. Centipoise (cP) na centistokes (cSt) vinabaki kuwa vya kawaida.

ASTM D445 inasanifisha upimaji wa mnato wa sinematiki. Viscometer ya kapilari inakuwa kiwango cha sekta.

Viscometers za mzunguko zinawezesha upimaji wa majimaji yasiyo ya Newtonian. Muhimu kwa rangi, polima, chakula.

Viscometers za kidijitali zinafanya upimaji kuwa wa kiotomatiki. Bafu zinazodhibitiwa na joto huhakikisha usahihi wa ±0.01 cSt.

Uteuzi wa mafuta ya injini, kioevu cha hidroliki, na ulainishaji wa fani:

• Viwango vya SAE: 10W-30 inamaanisha 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (masafa ya mnato wa sinematiki)
• Viwango vya ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (mnato wa sinematiki @ 40°C katika cSt)
• Uteuzi wa fani: Nyembamba sana = kuchakaa, nene sana = msuguano/joto
• Kielezo cha Mnato (VI): Hupima usikivu wa joto (juu = bora)
• Mafuta ya viwango vingi: Viongezeo hudumisha mnato katika halijoto mbalimbali
• Mifumo ya hidroliki: Kawaida 32-68 cSt @ 40°C kwa utendaji bora

Vipimo vya mnato vya mafuta, mafuta ghafi, na usafishaji:

• Mafuta mazito ya tanuru: Hupimwa kwa cSt @ 50°C (lazima yapashwe moto ili kusukumwa)
• Dizeli: 2-4.5 cSt @ 40°C (vipimo vya EN 590)
• Uainishaji wa mafuta ghafi: Nyepesi (<10 cSt), kati, nzito (>50 cSt)
• Mtiririko wa bomba: Mnato huamua mahitaji ya nguvu ya kusukuma
• Viwango vya mafuta ya meli: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Mchakato wa kusafisha: Uvunjaji wa mnato hupunguza sehemu nzito

Udhibiti wa ubora na uboreshaji wa mchakato:

• Uwekaji alama wa asali: 2,000-10,000 cP @ 20°C (kulingana na unyevu)
• Uthabiti wa sharubati: Sharubati ya maple 150-200 cP, sharubati ya mahindi 2,000+ cP
• Maziwa: Mnato wa krimu huathiri umbile na hisia mdomoni
• Chokoleti: 10,000-20,000 cP @ 40°C (mchakato wa kutuliza)
• Uwekaji kaboni kwenye vinywaji: Mnato huathiri uundaji wa viputo
• Mafuta ya kupikia: 50-100 cP @ 20°C (kiwango cha moshi kinahusiana na mnato)

Rangi, gundi, polima, na udhibiti wa mchakato:

• Mnato wa rangi: 70-100 KU (vitengo vya Krebs) kwa uthabiti wa upakaji
• Mipako ya kunyunyizia: Kawaida 20-50 cP (nene sana huziba, nyembamba sana huchuruzika)
• Gundi: 500-50,000 cP kulingana na njia ya upakaji
• Viyeyusho vya polima: 100-100,000 Pa·s (utolezaji/uundaji)
• Wino wa uchapishaji: 50-150 cP kwa flexografia, 1-5 P kwa offset
• Udhibiti wa ubora: Mnato unaonyesha uthabiti wa kundi na maisha ya rafu

Mnato wa nguvu (Pa·s, poise) hupima upinzani wa ndani wa majimaji dhidi ya kukatwa—'unene' wake kamili. Mnato wa sinematiki (m²/s, stokes) ni mnato wa nguvu ukigawanywa na msongamano—jinsi unavyotiririka haraka chini ya mvuto. Unahitaji msongamano ili kubadilisha kati yao: ν = μ/ρ. Fikiria hivi: asali ina mnato wa juu wa nguvu (ni nzito), lakini zebaki pia ina mnato wa juu wa sinematiki ingawa ni 'nyepesi' (kwa sababu ina msongamano mkubwa sana).

Sio bila kujua msongamano wa majimaji kwenye joto la kupima. Kwa maji karibu na 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (kwa sababu msongamano wa maji ni ≈ 1 g/cm³). Lakini kwa mafuta ya injini (msongamano ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Kigeuzi chetu kinazuia ubadilishaji kati ya aina ili kuzuia makosa. Tumia fomula hii: cSt = cP / (msongamano katika g/cm³).

Viwango vya mnato vya SAE vinabainisha masafa ya mnato wa sinematiki. '10W' inamaanisha inakidhi mahitaji ya mtiririko wa joto la chini (W = winter, imepimwa kwa 0°F). '30' inamaanisha inakidhi mahitaji ya mnato wa joto la juu (imepimwa kwa 212°F). Mafuta ya viwango vingi (kama 10W-30) hutumia viongezeo kudumisha mnato katika halijoto mbalimbali, tofauti na mafuta ya kiwango kimoja (SAE 30) ambayo huwa mepesi sana yanapopata joto.

Sekunde za Saybolt Universal (SUS) hupima muda unaochukua kwa 60mL ya majimaji kutiririka kupitia tundu lililosanifiwa. Fomula ya kimajaribio ni: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (kwa SUS > 32). Kwa mfano, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS bado inatumika katika maelezo ya petroli ingawa ni mbinu ya zamani. Maabara za kisasa hutumia viscometers za sinematiki ambazo hupima cSt moja kwa moja kulingana na ASTM D445.

Joto la juu huwapa molekuli nishati zaidi ya kinetiki, na kuwawezesha kuteleza kwa urahisi zaidi. Kwa vimiminika, mnato kawaida hushuka kwa 2-10% kwa kila °C. Mafuta ya injini kwa 20°C yanaweza kuwa 200 cP lakini 15 cP tu kwa 100°C (upungufu wa mara 13!). Kielezo cha Mnato (VI) hupima usikivu huu wa joto: mafuta ya VI ya juu (100+) hudumisha mnato vizuri zaidi, mafuta ya VI ya chini (<50) huwa mepesi sana yanapopashwa moto.

Mifumo mingi ya hidroliki hufanya kazi vizuri zaidi kwa 25-50 cSt @ 40°C. Chini sana (<10 cSt) husababisha uvujaji wa ndani na uchakavu. Juu sana (>100 cSt) husababisha mwitikio wa polepole, matumizi ya juu ya nguvu, na mkusanyiko wa joto. Angalia maelezo ya mtengenezaji wa pampu yako—pampu za vani hupendelea 25-35 cSt, pampu za pistoni huvumilia 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) ndiyo mafuta ya hidroliki ya matumizi ya jumla ya kawaida zaidi.

Hakuna upeo wa kinadharia, lakini vipimo vya vitendo vinakuwa vigumu juu ya cP milioni 1 (1000 Pa·s). Bitumeni/lami inaweza kufikia Pa·s bilioni 100. Baadhi ya viyeyusho vya polima huzidi Pa·s milioni 1. Katika mnato uliokithiri, mpaka kati ya kioevu na dhabiti hufifia—nyenzo hizi huonyesha mtiririko wa mnato (kama vimiminika) na urejeshaji wa elastiki (kama dhabiti), unaoitwa mnato-elastiki.

Poise inamuenzi Jean Léonard Marie Poiseuille (miaka ya 1840), ambaye alisoma mtiririko wa damu katika kapilari. Stokes inamuenzi George Gabriel Stokes (miaka ya 1850), ambaye alitoa milinganyo ya mtiririko wa mnato na kuthibitisha uhusiano kati ya mnato wa nguvu na sinematiki. Reyn moja (pauni-nguvu sekunde kwa inchi ya mraba) imepewa jina la Osbourne Reynolds (miaka ya 1880), maarufu kwa nambari ya Reynolds katika dinamiki ya majimaji.