วัดความต้านทานภายในต่อแรงเฉือน

ความหนืดไดนามิก (หรือที่เรียกว่าความหนืดสัมบูรณ์) เป็นการวัดปริมาณแรงที่ต้องใช้ในการเคลื่อนที่ชั้นของของเหลวหนึ่งชั้นผ่านอีกชั้นหนึ่ง เป็นคุณสมบัติภายในของของเหลวเอง โดยไม่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น ค่าที่สูงขึ้นหมายถึงความต้านทานที่มากขึ้น

สูตร: τ = μ × (du/dy) โดยที่ τ = แรงเฉือน, du/dy = ความชันของความเร็ว

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

ความหนืดไดนามิกหารด้วยความหนาแน่น

ความหนืดจลนศาสตร์วัดความเร็วที่ของเหลวไหลภายใต้แรงโน้มถ่วง โดยคำนึงถึงทั้งความต้านทานภายใน (ความหนืดไดนามิก) และมวลต่อปริมาตร (ความหนาแน่น) ใช้เมื่อการไหลที่ขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญ เช่น การถ่ายน้ำมันหรือการเทของเหลว

สูตร: ν = μ / ρ โดยที่ μ = ความหนืดไดนามิก, ρ = ความหนาแน่น

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

• μ (ไดนามิก) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (ความหนาแน่น) = 998.2 kg/m³
• ν (จลนศาสตร์) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• อัตราส่วน: ν/μ ≈ 1.0 (น้ำเป็นค่าอ้างอิง)

• μ (ไดนามิก) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (ความหนาแน่น) = 850 kg/m³
• ν (จลนศาสตร์) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• หมายเหตุ: จลนศาสตร์สูงกว่าไดนามิก 18% (เนื่องจากความหนาแน่นต่ำกว่า)

• μ (ไดนามิก) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (ความหนาแน่น) = 1,261 kg/m³
• ν (จลนศาสตร์) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• หมายเหตุ: มีความหนืดสูงมาก—หนืดกว่าน้ำ 1,400 เท่า

• μ (ไดนามิก) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (ความหนาแน่น) = 1.204 kg/m³
• ν (จลนศาสตร์) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• หมายเหตุ: ไดนามิกต่ำ, จลนศาสตร์สูง (ก๊าซมีความหนาแน่นต่ำ)

มาตรฐาน ASTM D88 ใช้กันอย่างแพร่หลายในอเมริกาเหนือสำหรับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม

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

• วัดที่อุณหภูมิเฉพาะ: 100°F (37.8°C) หรือ 210°F (98.9°C)
• ช่วงทั่วไป: 31-1000+ SUS
• ตัวอย่าง: น้ำมัน SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) สำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงมาก: ช่องเปิดใหญ่กว่า ×10 เท่า

มาตรฐาน IP 70 ของอังกฤษ เป็นที่นิยมในสหราชอาณาจักรและอดีตเครือจักรภพ

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

• วัดที่ 70°F (21.1°C), 100°F, หรือ 140°F
• Redwood No. 2 สำหรับของเหลวที่หนืดกว่า
• การแปลง: RW1 ≈ SUS × 1.15 (โดยประมาณ)
• ส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐาน ISO แต่ยังคงมีการอ้างอิงในข้อมูลจำเพาะที่เก่ากว่า

มาตรฐาน DIN 51560 ของเยอรมัน ใช้ในยุโรปและอุตสาหกรรมปิโตรเลียม

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

• วัดที่ 20°C, 50°C, หรือ 100°C
• °E = 1.0 สำหรับน้ำ @ 20°C (ตามคำจำกัดความ)
• ช่วงทั่วไป: 1.0-20°E
• ตัวอย่าง: น้ำมันดีเซล ≈ 3-5°E @ 20°C

การทดลองในห้องปฏิบัติการที่ยาวนานที่สุดในโลก (ตั้งแต่ปี 1927) ที่มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์แสดงให้เห็นว่ายางมะตอยไหลผ่านกรวย ดูเหมือนของแข็งแต่จริงๆ แล้วเป็นของเหลวที่มีความหนืดสูงมาก—สูงกว่าน้ำถึง 1 แสนล้านเท่า! ใน 94 ปีมีเพียง 9 หยดเท่านั้นที่ตกลงมา

ลาวาบะซอลต์ (ความหนืดต่ำ, 10-100 Pa·s) สร้างการปะทุแบบฮาวายที่อ่อนโยนพร้อมแม่น้ำที่ไหล ลาวาไรโอไลต์ (ความหนืดสูง, 100,000+ Pa·s) สร้างการปะทุแบบระเบิดสไตล์ภูเขาเซนต์เฮเลนส์เนื่องจากก๊าซไม่สามารถหลบหนีได้ ความหนืดเป็นตัวกำหนดรูปร่างของภูเขาไฟอย่างแท้จริง

เลือดมีความหนืดมากกว่าน้ำ 3-4 เท่า (3-4 cP @ 37°C) เนื่องจากเซลล์เม็ดเลือดแดง ความหนืดของเลือดที่สูงจะเพิ่มความเสี่ยงต่อโรคหลอดเลือดสมอง/หัวใจวาย แอสไพรินในปริมาณต่ำจะลดความหนืดโดยการป้องกันการเกาะกลุ่มของเกล็ดเลือด การทดสอบความหนืดของเลือดสามารถทำนายโรคหัวใจและหลอดเลือดได้

ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่แพร่หลาย หน้าต่างเก่าไม่ได้หนาขึ้นที่ด้านล่างเนื่องจากการไหล ความหนืดของแก้วที่อุณหภูมิห้องคือ 10²⁰ Pa·s (หนึ่งล้านล้านล้านเท่าของน้ำ) การไหล 1 มม. จะใช้เวลานานกว่าอายุของจักรวาล มันเป็นของแข็งที่แท้จริง ไม่ใช่ของเหลวที่เคลื่อนที่ช้า

SAE 10W-30 หมายถึง: 10W = ความหนืดในฤดูหนาว @ 0°F (การไหลที่อุณหภูมิต่ำ), 30 = ความหนืด @ 212°F (การป้องกันที่อุณหภูมิการทำงาน) 'W' ย่อมาจากฤดูหนาว (winter) ไม่ใช่น้ำหนัก (weight) น้ำมันหลายเกรดใช้โพลีเมอร์ที่ขดตัวเมื่อเย็น (ความหนืดต่ำ) และขยายตัวเมื่อร้อน (รักษาความหนืด)

แมลงจิงโจ้น้ำใช้ประโยชน์จากแรงตึงผิว แต่ยังใช้ประโยชน์จากความหนืดของน้ำด้วย การเคลื่อนไหวของขาของพวกมันสร้างกระแสน้ำวนที่ผลักต้านความต้านทานของความหนืด ทำให้พวกมันเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ในของเหลวที่มีความหนืดเป็นศูนย์ (ตามทฤษฎี) พวกมันจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้—พวกมันจะลื่นไถลโดยไม่มีแรงฉุด

ไอแซก นิวตัน อธิบายความหนืดใน Principia Mathematica แนะนำแนวคิดของ 'แรงเสียดทานภายใน' ในของเหลว

ฌอง ปัวซุย ศึกษาการไหลของเลือดในเส้นเลือดฝอย หาอนุพันธ์ของกฎของปัวซุยที่เชื่อมโยงอัตราการไหลกับความหนืด

จอร์จ สโตกส์ หาอนุพันธ์ของสมการสำหรับการไหลที่มีความหนืด พิสูจน์ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์

ออสบอร์น เรย์โนลด์ส แนะนำหมายเลขเรย์โนลด์ส เชื่อมโยงความหนืดกับระบอบการไหล (ราบเรียบเทียบกับปั่นป่วน)

เครื่องวัดความหนืด Saybolt ได้รับการรับรองมาตรฐานในสหรัฐอเมริกา วิธีถ้วยไหลออกกลายเป็นมาตรฐานของอุตสาหกรรมปิโตรเลียม

Poise และ stokes ได้รับการตั้งชื่อเป็นหน่วย CGS 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s กลายเป็นมาตรฐาน

การทดลองหยดยางมะตอยเริ่มขึ้นที่มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ ยังคงดำเนินต่อไป—การทดลองในห้องปฏิบัติการที่ยาวนานที่สุดเท่าที่เคยมีมา

SI นำ Pa·s และ m²/s มาใช้เป็นหน่วยมาตรฐาน Centipoise (cP) และ centistokes (cSt) ยังคงใช้กันทั่วไป

ASTM D445 กำหนดมาตรฐานการวัดความหนืดจลนศาสตร์ เครื่องวัดความหนืดแบบหลอดเลือดฝอยกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนช่วยให้สามารถวัดของเหลวที่ไม่เป็นไปตามกฎของนิวตันได้ มีความสำคัญสำหรับสี, โพลีเมอร์, อาหาร

เครื่องวัดความหนืดแบบดิจิทัลทำให้การวัดเป็นไปโดยอัตโนมัติ อ่างควบคุมอุณหภูมิช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำ ±0.01 cSt

การเลือกน้ำมันเครื่อง, ของเหลวไฮดรอลิก, และการหล่อลื่นแบริ่ง:

• เกรด SAE: 10W-30 หมายถึง 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (ช่วงความหนืดจลนศาสตร์)
• เกรด ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (ความหนืดจลนศาสตร์ @ 40°C ในหน่วย cSt)
• การเลือกแบริ่ง: บางเกินไป = การสึกหรอ, หนาเกินไป = แรงเสียดทาน/ความร้อน
• ดัชนีความหนืด (VI): วัดความไวต่ออุณหภูมิ (สูงกว่า = ดีกว่า)
• น้ำมันหลายเกรด: สารเติมแต่งช่วยรักษาความหนืดในช่วงอุณหภูมิต่างๆ
• ระบบไฮดรอลิก: โดยทั่วไป 32-68 cSt @ 40°C เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

ข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับความหนืดของเชื้อเพลิง, น้ำมันดิบ, และการกลั่น:

• น้ำมันเตาหนัก: วัดเป็น cSt @ 50°C (ต้องให้ความร้อนเพื่อปั๊ม)
• ดีเซล: 2-4.5 cSt @ 40°C (ข้อกำหนด EN 590)
• การจำแนกประเภทน้ำมันดิบ: เบา (<10 cSt), กลาง, หนัก (>50 cSt)
• การไหลในท่อ: ความหนืดเป็นตัวกำหนดความต้องการกำลังของปั๊ม
• เกรดน้ำมันเตาเรือ: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• กระบวนการกลั่น: การแตกตัวด้วยความหนืดช่วยลดส่วนประกอบหนัก

การควบคุมคุณภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ:

• การจัดเกรดน้ำผึ้ง: 2,000-10,000 cP @ 20°C (ขึ้นอยู่กับความชื้น)
• ความสม่ำเสมอของน้ำเชื่อม: น้ำเชื่อมเมเปิ้ล 150-200 cP, น้ำเชื่อมข้าวโพด 2,000+ cP
• ผลิตภัณฑ์นม: ความหนืดของครีมมีผลต่อเนื้อสัมผัสและความรู้สึกในปาก
• ช็อกโกแลต: 10,000-20,000 cP @ 40°C (กระบวนการเทมเปอร์ริ่ง)
• การอัดก๊าซในเครื่องดื่ม: ความหนืดมีผลต่อการเกิดฟอง
• น้ำมันปรุงอาหาร: 50-100 cP @ 20°C (จุดเกิดควันสัมพันธ์กับความหนืด)

สี, กาว, โพลีเมอร์, และการควบคุมกระบวนการ:

• ความหนืดของสี: 70-100 KU (หน่วย Krebs) เพื่อความสม่ำเสมอในการทา
• การเคลือบด้วยสเปรย์: โดยทั่วไป 20-50 cP (หนาเกินไปจะอุดตัน, บางเกินไปจะไหล)
• กาว: 500-50,000 cP ขึ้นอยู่กับวิธีการทา
• โพลีเมอร์หลอมเหลว: 100-100,000 Pa·s (การอัดรีด/การขึ้นรูป)
• หมึกพิมพ์: 50-150 cP สำหรับเฟล็กโซกราฟี, 1-5 P สำหรับออฟเซต
• การควบคุมคุณภาพ: ความหนืดบ่งบอกถึงความสม่ำเสมอของชุดการผลิตและอายุการเก็บรักษา

ความหนืดไดนามิก (Pa·s, poise) วัดความต้านทานภายในของของเหลวต่อการเฉือน—'ความหนา' ที่แท้จริงของมัน ความหนืดจลนศาสตร์ (m²/s, stokes) คือความหนืดไดนามิกหารด้วยความหนาแน่น—ความเร็วในการไหลภายใต้แรงโน้มถ่วง คุณต้องใช้ความหนาแน่นเพื่อแปลงระหว่างสองค่านี้: ν = μ/ρ ลองนึกภาพแบบนี้: น้ำผึ้งมีความหนืดไดนามิกสูง (มันหนา) แต่ปรอทก็มีความหนืดจลนศาสตร์สูงเช่นกันแม้ว่ามันจะ 'บาง' (เพราะมันมีความหนาแน่นสูงมาก)

ไม่ได้ หากไม่ทราบความหนาแน่นของของเหลวที่อุณหภูมิวัด สำหรับน้ำที่อุณหภูมิใกล้เคียง 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (เพราะความหนาแน่นของน้ำ ≈ 1 g/cm³) แต่สำหรับน้ำมันเครื่อง (ความหนาแน่น ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt ตัวแปลงของเราจะบล็อกการแปลงข้ามประเภทเพื่อป้องกันข้อผิดพลาด ใช้สูตรนี้: cSt = cP / (ความหนาแน่นในหน่วย g/cm³)

เกรดความหนืด SAE ระบุช่วงความหนืดจลนศาสตร์ '10W' หมายความว่ามันเป็นไปตามข้อกำหนดการไหลที่อุณหภูมิต่ำ (W = winter, ทดสอบที่ 0°F) '30' หมายความว่ามันเป็นไปตามข้อกำหนดความหนืดที่อุณหภูมิสูง (ทดสอบที่ 212°F) น้ำมันหลายเกรด (เช่น 10W-30) ใช้สารเติมแต่งเพื่อรักษาความหนืดในช่วงอุณหภูมิต่างๆ ซึ่งแตกต่างจากน้ำมันเกรดเดียว (SAE 30) ที่จะบางลงอย่างมากเมื่อร้อน

Saybolt Universal Seconds (SUS) วัดระยะเวลาที่ของเหลว 60mL ไหลผ่านช่องเปิดที่ได้มาตรฐาน สูตรเชิงประจักษ์คือ: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (สำหรับ SUS > 32) ตัวอย่างเช่น 100 SUS ≈ 21 cSt SUS ยังคงใช้ในข้อกำหนดของปิโตรเลียมแม้ว่าจะเป็นวิธีการที่เก่ากว่าก็ตาม ห้องปฏิบัติการสมัยใหม่ใช้เครื่องวัดความหนืดจลนศาสตร์ที่วัด cSt โดยตรงตามมาตรฐาน ASTM D445

อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้โมเลกุลมีพลังงานจลน์มากขึ้น ทำให้พวกมันสามารถเลื่อนผ่านกันได้ง่ายขึ้น สำหรับของเหลว ความหนืดมักจะลดลง 2-10% ต่อ °C น้ำมันเครื่องที่ 20°C อาจมีค่า 200 cP แต่ที่ 100°C จะมีค่าเพียง 15 cP (ลดลง 13 เท่า!) ดัชนีความหนืด (VI) วัดความไวต่ออุณหภูมินี้: น้ำมันที่มี VI สูง (100+) จะรักษาความหนืดได้ดีกว่า น้ำมันที่มี VI ต่ำ (<50) จะบางลงอย่างมากเมื่อถูกทำให้ร้อน

ระบบไฮดรอลิกส่วนใหญ่ทำงานได้ดีที่สุดที่ 25-50 cSt @ 40°C ค่าที่ต่ำเกินไป (<10 cSt) ทำให้เกิดการรั่วไหลภายในและการสึกหรอ ค่าที่สูงเกินไป (>100 cSt) ทำให้การตอบสนองช้า การใช้พลังงานสูง และการเกิดความร้อน ตรวจสอบข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิตปั๊มของคุณ—ปั๊มแบบใบพัดมักชอบ 25-35 cSt, ปั๊มแบบลูกสูบสามารถทนได้ 35-70 cSt ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) เป็นน้ำมันไฮดรอลิกสำหรับงานทั่วไปที่ใช้กันมากที่สุด

ไม่มีค่าสูงสุดตามทฤษฎี แต่การวัดในทางปฏิบัติจะทำได้ยากเมื่อมีค่าเกิน 1 ล้าน cP (1000 Pa·s) บิทูเมน/ยางมะตอยสามารถมีค่าสูงถึง 1 แสนล้าน Pa·s โพลีเมอร์หลอมเหลวบางชนิดมีค่าเกิน 1 ล้าน Pa·s ที่ความหนืดสูงมาก ขอบเขตระหว่างของเหลวและของแข็งจะเบลอ—วัสดุเหล่านี้แสดงทั้งการไหลแบบหนืด (เช่น ของเหลว) และการคืนตัวแบบยืดหยุ่น (เช่น ของแข็ง) ซึ่งเรียกว่าความหนืด-ความยืดหยุ่น

Poise เป็นเกียรติแก่ Jean Léonard Marie Poiseuille (ทศวรรษ 1840) ผู้ศึกษาการไหลของเลือดในเส้นเลือดฝอย Stokes เป็นเกียรติแก่ George Gabriel Stokes (ทศวรรษ 1850) ผู้หาอนุพันธ์ของสมการสำหรับการไหลที่มีความหนืดและพิสูจน์ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์ หน่วย reyn (ปอนด์-แรง วินาทีต่อตารางนิ้ว) ตั้งชื่อตาม Osbourne Reynolds (ทศวรรษ 1880) ซึ่งมีชื่อเสียงด้านหมายเลขเรย์โนลด์สในพลศาสตร์ของไหล