Динамическая вязкость

Сезонные и универсальные масла

Поначалу проблему застывания масла на морозе решали применяя масла с разной вязкостью для зимы и лета и называли их сезонными маслами. Совершим небольшой экскурс в историю. Масла в качестве смазки моторов стали применять практически одновременно в появлением этих самых моторов. Говорят, кстати, что первый ДВС Дизеля не имел системы смазки и проработал около минуты, после чего его заклинило в результате теплового расширения деталей. Так что, хочешь не хочешь, а пришлось вводить в конструкцию эту самую систему смазки.

Однако уровень тогдашней нефтехимии был, прямо скажем, зачаточным, да и требования к маслу у тогдашних моторов были гораздо скромнее. Поэтому кроме нефтепродуктов использовались и более привычные для промышленности того времени вещества – растительные масла. Всемирно известный брэнд Castrol в своё время начинал с использования обычного касторового масла. Это, в общем, и отражено в его названии.

Так вот, о сезонности: как уже упоминалось, базовые минеральные масла состоят из большого количества различных нефтяных фракций в определённом диапазоне свойств (кстати, кому интересно, есть статья о функциях и свойствах моторного масла). Внутри этого диапазона они отличаются, в зависимости от своего состава. Например, чем больше в составе масла парафиновых соединений, тем лучше его смазывающие свойства и хуже низкотемпературные качества (температура застывания выше). Соответственно, у разных масел при одной и той же температуре будет разная вязкость и температура застывания. Поскольку в умеренных широтах колебания температур зимой/летом довольно сильны, то масло, хорошо работающее летом, зимой застынет. Ясно, что смазывать двигатель оно в таком состоянии не может. До появления модификаторов вязкости эту проблему можно было решить только заменой масла на более жидкое, застывающее при более низких температурах (ну или разведением костра под картером двигателя:)). Это позволяло заводить двигатели зимой без искусственного разогрева, но снижало смазываемость. Ведь, как мы помним, вязкость у более жидкого масла при прочих равных меньше, а значит и смазывает оно хуже. Вот примерные цифры по распространённой паре летнее/зимнее масло:

• «летнее» масло М10Дм с вязкостью при 100°С равной 11 сСт, температура застывания -18°С.
• «зимнее» масло М8Дм с вязкостью при 100°С – 8 сСт, температура застывания -30°С.

Кому интересно, что означают непонятные сочетания типа М10Дм, могут почитать статью о классификации моторных масел. Ну а  «сСт» – это единица измерения кинематической вязкости, о ней мы поговорим ниже.

Отсюда и происходит термин «сезонных» масел. В английском языке аналогом является слово monograde, то есть «одношкальный», если переводить дословно.

По мере развития химической отрасли появились присадки, позволяющие расширить диапазон рабочих температур масла. Одна из присадок понижает температуру застывания масла, называется такая присадка депрессорной. Другая присадка загущает масло при высоких температурах и называется модификатором вязкости. В статье о составе моторного масла я обещал объяснить механизм работы этих присадок, что и сделаю сейчас.

Индивидуальные доказательства

1. Валентин Шредер: Экзамен по механике жидкости . Vieweg & Teubner, 2011, стр.1 , DOI : .
2. Александр Юрьевич Малкин, Авраам Исаев: Реология. Понятия, методы и применение. 2-е издание. Торонто 2012.
3. Ральф Брандес, Руди Буссе: Циркуляция. В кн . : Физиология человека. 31-е издание. 2010, ISBN 978-3-642-01650-9 , стр. 576f.
4. Николай И. Кошкин, Михаил Г. Ширкевич: Элементарная физика под рукой: Определения · Законы · Таблицы. 2013 г., ISBN 978-3-322-84038-7 , стр.41 .
5. Вальтер Бланке: Теплофизические количества вещества — тепломассообмен. 2013 г., ISBN 978-3-662-10545-0 , стр. 146.
6. ↑ H-G. Шарберт: Введение в петрологию и геохимию магматитов. 1-е издание. Вена, 1984, с. 60.
7. Ф. Дерст: Основы механики жидкости . Springer, 2006, ISBN 3-540-31323-0 , стр.62f .
8. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц: Учебник теоретической физики. Том VI: Гидродинамика. Академия Верлаг, 1991.

Немного о вязкости смазочных жидкостей

Вязкость определяется сопротивляемостью жидких материалов течению под различными воздействиями, в частности, силы тяжести. Если сравнивать различные жидкости, к примеру, пчелиный мед и воду, можно заметить, что первая течет гораздо хуже. Вязкость можно рассматривать с точки зрения умения жидкого материала сопротивляться сдвигу частей друг относительно друга или смещению слоя жидкости относительно поверхности деталей во время их совместного передвижения.

В механике сплошных сред различаются две величины вязкости: кинематическая и динамическая.

Динамическая (ДВМ) представляет собой отношение усилия, которое прикладывается к жидкому материалу, к степени искажения. Она измеряется в Па∙с или в Пуазах.

Что такое кинематическая вязкость моторного масла? Она определяется отношением динамической величины к плотности среды при одинаковой температуре. Этот показатель можно получить, измерив время вытекания определенного объема через калиброванное отверстие под воздействием силы тяжести. Измерить индекс позволяет устройство, называемое вискозиметром. Если рассматривается кинематическая вязкость масла: в чем измеряется величина? В различных системах для этого используется несколько единиц: м²/с, стокс, градус Энглера.

Рис.1. Единицы измерения кинематической вязкости масла.

Для определения вязкости выпускается несколько видов приборов. Выбор вискозиметра определяется условиями использования. Устройство может применяться в лабораторных условиях, а также для постоянного контроля состояния жидких материалов. Это часто требуется в производственном процессе. Кроме этого, температурные показатели веществ также могут различаться. Сегодня производится оборудование для работы в температурном режиме минус 50…плюс 2000 градусов.

Чтобы определиться с оптимальным вискозиметром, следует учитывать несколько критериев:

• необходимую точность замеров;
• диапазон измерений;
• условия эксплуатации прибора.

Приборы для определения кинематической вязкости масел (КВМ):

• Капиллярные. Этот тип оборудования позволяет определить время, за которое установленный объем жидкого вещества сможет преодолеть капилляр.
• Ротационные. В данном устройстве жидкость, у которой определяется вязкость, размещена между цилиндрами. От одного из них, вращающегося с определенной скоростью, вращательный момент передается через жидкий материал второму, изначально статичному. Показатель вязкости среды оценивается по вращающему моменту второго цилиндрического звена прибора.
• С движущимся шарообразным телом. Показатель вязкости среды оценивается по расстоянию, которое способен пройти шар, помещенный в жидкое вещество.
• Пузырьковые. Устройства этого типа предназначены для оценки перемещения газа в жидком материале.
• Ультразвуковые. Для определения вязкости исследуются импульсы, испускаемые зондом (время их затухания).
• Вибрационные. В этом оборудовании в жидкую среду опускается зонд, который начинает вибрировать. Определение кинематической вязкости масла проводится посредством оценки степени затухания его колебаний.

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс:

η ( T ) = A ⋅ exp ⁡ ( Q R T ) , {\displaystyle \eta (T)=A\cdot \exp \left({\frac {Q}{RT}}\right),}

где:

• Q {\displaystyle Q} — энергия активации вязкости (Дж/моль);
• T {\displaystyle T} — температура ();
• R {\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К);
• A {\displaystyle A} — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q {\displaystyle Q} изменяется от большой величины Q H {\displaystyle Q_{H}} при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину Q L {\displaystyle Q_{L}} при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда ( Q H − Q L ) < Q L {\displaystyle \left(Q_{H}-Q_{L}\right) , или ломкие, когда ( Q H − Q L ) ≥ Q L {\displaystyle \left(Q_{H}-Q_{L}\right)\geq Q_{L}} . Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса R D = Q H Q L {\displaystyle R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}} : сильные материалы имеют R D < 2 {\displaystyle R_{D}<2} , в то время как ломкие материалы имеют R D ≥ 2 {\displaystyle R_{D}\geq 2} .

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

η ( T ) = A 1 ⋅ T ⋅ ⋅ {\displaystyle \eta (T)=A_{1}\cdot T\cdot \left\cdot \left}

с постоянными A 1 {\displaystyle A_{1}} , A 2 {\displaystyle A_{2}} , B {\displaystyle B} , C {\displaystyle C} и D {\displaystyle D} , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования T g {\displaystyle T_{g}} это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.

Вязкость

Если температура существенно ниже температуры стеклования T < T g {\displaystyle T , двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

η ( T ) = A L T ⋅ exp ⁡ ( Q H R T ) , {\displaystyle \eta (T)=A_{L}T\cdot \exp \left({\frac {Q_{H}}{RT}}\right),}

с высокой энергией активации Q H = H d + H m {\displaystyle Q_{H}=H_{d}+H_{m}} , где H d {\displaystyle H_{d}} — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а H m {\displaystyle H_{m}} — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T < T g {\displaystyle T аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.

При T ≫ T g {\displaystyle T\gg T_{g}} двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

η ( T ) = A H T ⋅ exp ⁡ ( Q L R T ) , {\displaystyle \eta (T)=A_{H}T\cdot \exp \left({\frac {Q_{L}}{RT}}\right),}

но с низкой энергией активации Q L = H m {\displaystyle Q_{L}=H_{m}} . Это связано с тем, что при T ≫ T g {\displaystyle T\gg T_{g}} аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Сила вязкого трения

Это явление возникновения касательных сил, препятствующих перемещению частей жидкости или газа друг по отношению к другу. Смазка между двумя твердыми телами заменяет сухое трение скольжения трением скольжения слоев жидкости или газа по отношению друг к другу. Скорость частиц среды плавно меняется от скорости одного тела до скорости другого тела.

Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h.

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости

Самое важное в характере сил вязкого трения то, что при наличии любой сколь угодно малой силы тела придут в движение, то есть не существует трения покоя.
Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот — под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.. Если движущееся тело полностью погружено в вязкую среду и расстояния от тела до границ среды много больше размеров самого тела, то в этом случае говорят о трении или сопротивлении среды

При этом участки среды (жидкости или газа), непосредственно прилегающие к движущемуся телу, движутся с такой же скоростью, как и само тело, а по мере удаления от тела скорость соответствующих участков среды уменьшается, обращаясь в нуль на бесконечности

Если движущееся тело полностью погружено в вязкую среду и расстояния от тела до границ среды много больше размеров самого тела, то в этом случае говорят о трении или сопротивлении среды. При этом участки среды (жидкости или газа), непосредственно прилегающие к движущемуся телу, движутся с такой же скоростью, как и само тело, а по мере удаления от тела скорость соответствующих участков среды уменьшается, обращаясь в нуль на бесконечности.

Сила сопротивления среды зависит от:

• ее вязкости
• от формы тела
• от скорости движения тела относительно среды.

Например, при медленном движении шарика в вязкой жидкости силу трения можно найти, используя формулу Стокса:

Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот — под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

Базовые показатели

При минусовых температурах вязкость машинной смазки определяется способностью стартера проворачивать двигатель при min температуре и скоростью подачи смазочного состава. Благодаря данным показателям определяют, до какой min температуры можно без проблем запускать мотор, то есть проворачивать его коленчатый вал.

Вязкость в диапазоне температур функционирующего двигателя не относится к температуре на улице. Зависимость от температуры практически не меняется, будь на улице +10 или -30.

С целью увеличить индекс вязкости, в смазочную смесь нередко добавляют специальные присадки. Они способствуют расширению интервала температур, при которых смазка будет сохранять свои базовые вязкостные качества.

Это гарантирует, что мотор будет отменно заводиться, когда на градуснике минус. При этом в жаркую погоду масляный состав будет давать стабильную и вязкую пленку в месте контакта поверхностей деталей.

Рекомендации по выбору состоят в следующем:

1. Когда машина еще не отработала 25 процентов от должного ресурса, то до капитального ремонта стоит выбирать моторное масло малой вязкости.
2. Когда пробег авто составляет двадцать пять – семьдесят пять процентов, то потребуется смазка средней вязкости.
3. Если мотор машины уже порядком выработан, то необходимо масло с повышенным внутренним трением, способное создавать прочную масляную пленку.

Вязкость загущенных масел типа «всесезонка» зависит не только от температуры и давления, но и от быстроты движения пластов смазки, концентрирующейся в промежутке между смазываемыми элементами.

Каждый автовладелец, заботящийся о своем «железном коне», знает, что вязкость моторного масла – это одно из важнейших свойств смазки. В зависимости от сезона и нагрузки вязкость может меняться.

Во избежание проблем с работоспособностью автомобиля следует выбирать смазку с ориентацией на рекомендации автопроизводителя. Кроме того эксперты напоминают, что занижать вязкость смазки от того, что требует изготовитель автомобиля – чревато большими проблемами, чем если завышать данный показатель.

Естественно качественное масло должно обладать достаточной густотой и вязкостью, обеспечивающих смазку трущихся деталей и механизмов в обширном диапазоне температурных режимов.

Другие статьи:

Какое масло лучше: 5w30 или 5w40 зимой?

Чем отличается масло 5w40 от 10w40?

10w40 – полусинтетическое масло для двигателя вашего авто

Моторное масло 5w40 – расшифровка

Вязкость сыра

Сыр — это пищевой продукт, получаемый из молока путем введения молочнокислых бактерий, ферментов, способствующих его свертыванию, либо посредством плавления молочных продуктов.

Сыры классифицируются на твердые, мягкие, плавленые, рассольные. Показатель вязкости целесообразно рассматривать у плавленых сыров.

Вязкость данного продукта снижается при повышении содержания в нем влаги. На нее также влияет зрелость исходного сырья, вид и доза солей-плавителей, активная кислотность сыра. В слабой степени на вязкость влияет содержание в сырье жира, хотя он и увеличивает пластичность сырной массы.

Определение — динамическая вязкость

ZIC XQ Fully Synthetic Определение динамической вязкости производится на основе закона Стокса или закона Пуазейля.  

Определение динамической вязкости этими приборами основано на зависимости величины динамической вязкости от перепада давления на капиллярной трубке при постоянном расходе жидкости. При прокачивании через капилляр жидкости с постоянным расходом измерение ее динамической вязкости сводится к измерению перепада давления на капилляре. Для поддержания неизменной величины расхода жидкости применен дозирующий насос шестеренчатого типа.  

Определение динамической вязкости по этим формулам требует значительного времени, так как опытное определение некоторых входящих в них величин, например радиуса капилляра г и других, представляет известные экспериментальные трудности. Однако практически задача может быть значительно упрощена, если воспользоваться заранее определенной вязкостной характеристикой некоторой стандартной жидкости.  

Определение динамической вязкости заключается в установлении времени истечения под постоянным давлением определенного объема ( равного объему шарика вискозиметра) испытуемого нефтепродукта через капиллярную трубку вискозиметра, для которого заранее установлена его постоянная.  

Определение динамической вязкости по этим формулам требует значительного времени, так как опытное определение некоторых входящих Б них величин, например радиуса капилляра г и других, представляет известные экспериментальные трудности. Однако практически задача может быть значительно упрощена, если воспользоваться заранее определенной вязкостной характеристикой некоторой стандартной жидкости.  

Определение динамической вязкости исследуемого масла проводят так же, как это было описано выше при определении постоянной вискозиметра, но при одном наполнении и при одном давлении ( обычно при 150 мм рт. ст.), а время тоже берут среднее из шести замеров. Время наполнения и истечения масла из шарика а должно укладываться в пределах 100 — 360 сек.  

Для определения динамической вязкости в капиллярном вискозиметре оба колена вискозиметра через четырехходовой кран соединяют с манометром, который, в свою очередь, соединен через воздушный буфер с источником давления.  

Для определения динамической вязкости требуются точные данные о плотности, которые часто отсутствуют, особенно для жидких сплавов. Чтобы получить динамическую вязкость, часто приходится вычислять плотность; для сплавов обычно пользуются законом Ве-гарда

Полученными результатами следует пользоваться с осторожностью, так как указанный закон часто не выполняется, особенно в сплавах с высокими отрицательными энтальпиями смешения.  . Для определения динамической вязкости нефтепродуктов согласно ГОСТ применяется капиллярный вискозиметр Уббелоде-Гольде, а для определения кинематической вязкости нефтепродуктов — капиллярные вискозиметры Пинкевича и Воларовича

Для определения динамической вязкости нефтепродуктов согласно ГОСТ применяется капиллярный вискозиметр Уббелоде-Гольде, а для определения кинематической вязкости нефтепродуктов — капиллярные вискозиметры Пинкевича и Воларовича.  

Для определения динамической вязкости водно-спиртовых ра-ггворов нами по этим данным составлены графики, позволяющие эпределить значения ее для концентраций, выраженных как в объем-шх, так и в массовых процентах.  

Метод определения динамической вязкости применяется в научно-исследовательских работах.  

Методы определения динамической вязкости применяются в научно-исследовательских работах.  

При определении динамической вязкости величину первоначально подвешиваемого — груза подбирают с таким расчетом, чтобы продолжительность трех оборотов цилиндра составила не менее 30 сек. Измерения проводят до тех пор, пока по четырем последовательным отсчетам времени не получат данные, расходящиеся не более чем на 10 % от среднего арифметического сравниваемых измерений. Затем увеличивают груз и снова отсчитывают продолжительность трех оборотов цилиндра.  

При определении динамической вязкости величина первоначально подвешиваемого груза подбирается с таким расчетом, чтобы время трех оборотов цилиндра составило не менее 30 сек. При этом измерения производят до тех пор, пока четыре последовательных отсчета времени не дадут данные, расходящиеся не более чем на 10 % от среднего арифметического сравниваемых измерений. Затем увеличивают груз и снова производят отсчеты времени трех оборотов цилиндра.  

Что такое вязкость масла

Вязкость — это способность вещества сопротивляться перемещению его слоев. Этим свойством обладают все жидкости (и масла для автомобилей). С точки зрения физики при сопротивлении состав выполняет работу, что нагревает смазку.

Вязкость делят на кинетическую и динамическую. Этот показатель не является стабильным, а меняться он может под действием факторов:

• Температура окружающей среды. Это означает, что на сильном холоде смазка может полностью замерзнуть, а при жаре – частично испариться. Поэтому при выборе жидкости учитывайте температуру региона эксплуатации авто.
• Количество присадок. Означает, что в масляные составы часто вносятся дополнительные добавки. Они не только улучшают физические характеристики смазки, но и влияют на ее вязкость в различных условиях.
• Пробег движка на одной заправке. Означает, что при длительной эксплуатации примеси могут растворяться. Это негативно влияет на вязкость. Состав становится более жидким, растет трение.

Что означает вязкость? Исторически каждая автомобильная компания выпускала свои разновидности моторных масел. В начале XX века было организовано Автомобильное общество инженеров (SAE), которое стало заниматься классификацией горюче-смазочных материалов.

Стандарты организации неоднократно пересматривались, хотя характер изменений был незначительным. По состоянию на 2021 год действует классификация SAE J300. В соответствии с современным стандартом все смазки делятся на три категории – зимние, летние, всесезонные (они означают температурный режим).

Вливать нужно смазку соответствующей категории, чтобы автомобиль смог ездить по дороге без сбоев. Каждой жидкости присваивается определенный код маркировки смазки.

Она может состоять из одного или двух блоков – например, 30, 40, 0W, 5W, 5W-30, 0W-40 и другие. Код означает температурный режим, при котором рекомендуется использовать жидкость (также это означает, что качество присадок и технические параметры состава он характеризует плохо).

В соответствии со стандартом SAE J300 вне зависимости от присвоенной категории должны соответствовать таким техническим требованиям:

• Прокачиваемость. Означает, что смазка при работе может менять свою вязкость под действием различных факторов. Но она должна без проблем прокачиваться в системе через моторный насос.
• Гибкий режим работы. Означает, что смазка не должна испаряться, угорать, становится пенистой. Прочная защитная пленка сохраняется при любой температуре.
• Очистка моторной системы от продуктов сгорания топлива. Означает, что при работе бензина или дизеля в активной зоне образуется небольшое количество вредных примесей. Их удаляет из цилиндров моторное масло.
• Защита движка от перегрева. Означает, что масло создает на поверхности металла тонкую прочную пленку. Она снижает трение, равномерно распределяет тепло при работе мотора. Это положительно влияет на его срок годности.
• Уплотнение зазоров. Означает, что между отдельными деталями могут образовываться небольшие зазоры или трещины. Защитная пленка покрывает их, что делает мотор автомобиля более надежным.
• Отведение тепла из активной зоны. Означает, что при сгорании бензина/дизеля происходит локальный нагрев поршней, цилиндров. Моторное масло перераспределяет тепло, что снижает температурное воздействие на металл.
• Защита от коррозии. Означает, что при контакте металлических запчастей с бензином или атмосферным воздухом может возникать коррозия. Масляная пленка минимизирует вероятность подобного сценария.