Viskoznost

Demonstracija viskoznosti. Tekućina s lijeve strane ima manju viskoznost od tekućine s desne strane.

Brzine strujanja fluida (na primjer vode) u cijevi su različite: uz stijenku voda miruje, a najveća brzina je u sredini cijevi.

Viskoznost je trenje nastalo pri strujanju fluida zbog različite brzine gibanja njegovih slojeva.

Stokesov zakon, u hidrodinamici: strujnice i sile.

Ako se sjetimo valova u moru onda znamo da su najsnažniji na površini a s porastom dubine skoro pa nestaju.

Viskoznost nema nikakve veze s gustoćom tekućine. Tako na primjer tekuća ljepila imaju i stotinu tisuća puta veću viskoznost od vode, dok im je gustoća otprilike jednaka gustoći vode pri jednakoj temperaturi.

Viskoznost (prema kasnolat. viscosus: ljepljiv), viskozitet, žilavost tekućine ili koeficijent unutarnjeg trenja je trenje nastalo pri strujanju fluida (tekućine ili plina) zbog različite brzine gibanja njegovih slojeva. Uzrok su viskoznosti međumolekulske kohezijske sile u fluidu i adhezijske sile između fluida i krutoga tijela kroz koje se strujanje odvija. Slojevi fluida uz stijenke posude (cijevi, korita rijeke i tako dalje) usporavaju brže slojeve. Sila F na jedinicu površine između dvaju slojeva fluida razmjerna je gradijentu relativne brzine v, to jest brzini kojom se relativna brzina gibanja mijenja od sloja do sloja dy:

$F=-\,\eta \cdot {\frac {dv}{dy}}$

Predznak – pokazuje da sila djeluje suprotno smjeru brzine gibanja. Koeficijent viskoznosti η naziva se dinamička viskoznost, a mjeri se u paskalsekundama (Pas). Tako na primjer koeficijent viskoznosti glicerola na sobnoj temperaturi iznosi 1,4 Pas, vode 0,001 Pas, a zraka 17 × 10^–6 Pas. Koeficijent viskoznosti smanjuje se s povećanjem temperature, jer toplinsko gibanje smanjuje privlačne međumolekulske sile. Koeficijenti viskoznosti različitih stakala, smole i slično, veoma su veliki, u pravilu veći od 10⁹ Pas.

Viskoznost fluida uzrokuje i otpor gibanju čvrstih tijela kroz fluid. Sila otpora ovisi o dimenzijama i obliku tijela, brzini gibanja kroz fluid, koeficijentu viskoznosti η i gustoći ρ fluida. Za kuglu polumjera r koja se brzinom v giba u fluidu viskoznosti η, ili se taj fluid giba oko nje, ta je sila F_d jednaka (Stokesov zakon):

$F_{d}=6\cdot \pi \cdot \mu \cdot r\cdot v$

Taj zakon vrijedi samo za male brzine strujanja fluida (laminarno strujanje). Za veće brzine strujanje postaje turbulentno i sila otpora povećava se s kvadratom brzine. Dinamička svojstva strujanja tijela u viskoznom mediju opisana su bezdimenzionalnom konstantom, takozvanim Reynoldsovim brojem.

Kinematička viskoznost omjer je dinamičke viskoznosti η i gustoće fluida ρ, dakle:

$\nu ={\frac {\eta }{\rho }}$

Jedinica je kinematičke viskoznosti kvadratni metar po sekundi (m²/s), određena kao kinematička viskoznost fluida kojoj je dinamička viskoznost jedna paskalsekunda, a gustoća jedan kilogram po kubičnome metru.

Objašnjenje

Ako se sjetimo valova u moru, onda znamo da su najsnažniji na površini a s porastom dubine skoro pa nestaju. To je zbog vjetra koji površinu vode pomiče, većom brzinom na površini koja postupno opada s porastom dubine vode.

Zamislimo si dvije ploče površine A, između kojih se nalazi fluid (debljine y) koji se zbog adhezivnih sila i trenja lijepi za površine ploča. Fluid između ploča možemo podijeliti u više slojeva. Ako jednu od ploča P₁ krenemo pomicati brzinom v u smjeru x, tada će se sloj fluida najbliži ploči također pomicati brzinom v u smjeru x. Zbog kohezivnih sila unutar fluida je za očekivati da će se i daljni slojevi početi pomicat, ali sa smanjenjem brzine proporcionalno udaljenošću od pokretne ploče. Smanjenje brzine uzrokuje trenje u fluidu.

Možemo zaključiti da je sila F potrebna za pomicanje ploče P₁ razmjerna s njenom površinom A (veća površina = potrebna veća sila za pomicanje zbog veće količine tekućine koja se miče u skladu sa pločom), razmjerna je s brzinom v i obrnuto razmjerna udaljenosti među pločama y ( y = više slojeva fluida = potrebna veća sila za pomicanje svih slojeva).

$F\approx A$ i $F\approx {v}$ i $F\approx {\frac {1}{y}}$ .

iz čega proizlazi da je:

$F\approx {\frac {A\cdot v}{y}}$.

i završna jednadžba je:

$F=\eta \cdot {\frac {A\cdot v}{y}}$.

gdje η predstavlja koeficijent viskoznosti.

Neke tvari i njihov koeficijent viskoznosti η:

Fluid	voda (20°C)	voda (100°C)	etanol (20°C)	krv (37°C)	mot. ulje SAE30 (0°C)	mot. ulje SAE30 (20°C)	benzin (20°C)	zrak (20°C)	zrak (70°C)	vodik (20°C)
η	1	0,28	0,11	4	110	30	0,29	0,018	0,0195	0,0009

Viskoznost motornih ulja označava se posebnom SAE skalom američke udruge automobilskih inženjera. Veći broj oznake označuje veću viskoznost. U motorima automobila se zato zimi preporučuje uporaba ulja SAE 10 zimi, a SAE 30 ljeti. U mjenjaču automobila koristi se SAE 90.

Tvari vrlo velike viskoznosti na prijelazu su između amorfnih čvrstih tijela i tekućina. U većini tekućina viskoznost se smanjuje zagrijavanjem. U preradi plastičnih masa, gume ili polimera susreću se nenjutnovske tekućine (eng. Non-Newtonian fluids) kojima je osobina povećavanje viskoznosti zagrijavanjem.

Relativna viskoznost

Realne tekućine razlikuju se od idealnih pojavom trenja sa stijenkama posude i trenja u tekućini. Pustimo li da kroz jedan lijevak curi 1 litra vode, a kroz drugi 1 litra ulja, uvjerit ćemo se da će prije proteći voda nego ulje. Ta razlika u vremenu protjecanja nastaje zbog unutarnjeg trenja u tekućini koja se zove viskoznost ili žilavost tekućine, odnosno koeficijent unutarnjeg trenja. Prema tome je viskoznost ulja veća od viskoznosti vode. Viskoznost nema nikakve veze s gustoćom tekućine. Tako na primjer tekuća ljepila imaju i stotinu tisuća puta veću viskoznost od vode, dok im je gustoća otprilike jednaka s gustoćom vode pri jednakoj temperaturi. Viskoznost je naročito važna kod ulja za podmazivanje strojnih dijelova, jer o njoj ovisi trošenje tih dijelova, a i sam potrošak ulja.

Viskoznost ili viskozitet mjeri se obično u Englerovim stupnjevima (oznaka °E) pomoću posebnog aparata, takozvanog Englerova viskozimetra. Za pojedina ulja viskozitet se mjeri kod one temperature na kojoj se nalazi ulje za vrijeme rada. Tako je kod ulja za instrumente i vretena važan viskozitet kod 20 °C (293 K). Kod ulja za strojeve viskoznost se mjeri kod 50 °C (323 K), a kod motornih i cilindarskih ulja kod 100 °C (373 K). Prije mjerenja ulje se mora procijediti s rupicama promjera 0,3 mm. Zatim se ulje zagrije na propisanu temperaturu i ulije u unutarnju posudu viskozimetra. Ta posuda ima na dnu izlaznu cjevčicu koja se zatvara iglom. Dva termometra služe za mjerenje temperature. Nakon toga ulje se ispušta u menzuru od 200 cm³ i mjeri vrijeme za koje je ta količina ulja protekla. Sada se podijeli vrijeme u sekundama, za koje je proteklo 200 cm³ ulja kod određene temperature, vremenom u sekundama, za koje proteče kroz viskozimetar ista količina, to jest 200 cm³ destilirane vode kod 20 °C (293 K), te izračuna viskoznost. Ta viskoznost koja se računa s obzirom na vodu zove se relativna viskoznost. Tako je relativna viskoznost kod 20 °C vode 1; alkohola 16; glicerina 850; žive 1,5.

Srednje vrijednosti viskoznosti ulja koje se najviše upotrebljava jesu: automobilsko ulje “zimsko” 8 °E kod 50 °C (323 K) i automobilsko ulje “ljetno” 20 °E kod 50 °C (323 K). Zimi se, naime, kod automobila upotrebljava ulje manje viskoznosti jer ono postaje gušće zbog niske temperature, dok ljeti obratno.