Englerův stupeň
Jednotka konvenční viskozity mimo SI · veličina: odpor kapaliny proti toku
Štítek starého zubového čerpadla nezřídka žádá olej «ne hustší než 8 °E při 50 °C», a člověk zvyklý na centistokes čte tento řádek s údivem, neboť za číslem nestojí žádný fyzikální smysl. Englerův stupeň je poměr dvou časů: kolik sekund vytéká dvě stě mililitrů kapaliny z mosazné nádoby cejchovanou tryskou a kolik sekund trvá táž dávka vody z téže nádoby. Voda se proto z definice rovná jedné a olej, který teče osmkrát pomaleji, dostává osm stupňů.
Jednotka je uspořádána tak, že přístroj slouží sám sobě jako etalon, a to najednou vysvětluje jak její pohodlnost, tak její neštěstí: nálevku bylo možno vyrobit v kterékoli závodní laboratoři, ale v Německu se dělala podle Englera, v Británii podle Redwooda, v Americe podle Saybolta, a jedna a táž ropa dostala tři nesrovnatelná čísla. Na centistokes přešly všechny tři až v druhé polovině dvacátého století, kdežto štítky na čerpadlech, převodovkách a hospodářstvích topných olejů zůstaly psány po starém, a přepočítávat je je třeba dodnes.
01 · Definice
Englerův stupeň je poměr doby výtoku dvou set mililitrů zkoušené kapaliny k době výtoku téže dávky destilované vody při dvaceti stupních Celsia, přičemž obě měření se dělají na jednom a témž přístroji. Čas vody se nazývá vodní hodnotou; u způsobilého viskozimetru se drží na jedenapadesáti sekundách s tolerancí jedné sekundy.
Vztah ke kinematické viskozitě existuje, není však lineární, a příčina je zcela fyzikální: kapalina opouští trysku nejen vazkým třením, ale i setrvačností, takže část tlaku odchází do kinetické energie proudu. Dokud je kapalina hustá, lze setrvačnou opravu zanedbat a stupeň se přepočítává na centistokes téměř úměrně, kdežto u tekutých kapalin se oprava stává srovnatelnou se samotným měřením. Z toho důvodu se Ubbelohdeho vzorec pod 1,35 °E nepoužívá a Englerova nálevka se pro kapaliny řidší než pět čtverečních milimetrů za sekundu nebere vůbec.
Teplota měření se uvádí vždy a vstupuje do zápisu rovnocenně s číslem, neboť viskozita oleje klesá na polovinu na každých dvacet stupňů ohřevu. Německá praxe zkoušela při dvaceti, padesáti a stu stupních; sovětská, jež zdědila týž přístroj pod názvem konvenční viskozita, se držela častěji padesáti a osmdesáti — a právě poslední teplota se dostala i do druhů topného oleje, kde číslo v M-40 nebo M-100 pochází z viskozity při osmdesáti stupních.
Veličina zadaná vlastním přístrojem nemá etalon v obvyklém smyslu slova: reprodukovatelná není viskozita, nýbrž dvojice «nádoba plus tryska», atestovaná vodou. Odtud jak požadavek ověřovat vodní hodnotu před každou sérií, tak zákaz přepočítávat cizí stupně, není-li známo, na jakém přístroji a při jaké teplotě byly získány.
Zahřejte vzorek posuvníkem a proud z trysky poteče rychleji: stopky, a s nimi Englerův stupeň, reagují na teplotu mnohem ostřeji, než by člověk čekal. Sloupec vlevo ukazuje, kolik času zabere dvě stě mililitrů, a řádky vpravo, jak jeden a týž stav čtou čtyři různé stupnice.
Plná čára je skutečná závislost centistokes na stupních, čárkovaná prostá úměra s činitelem 7,31. U hustých olejů, vpravo od svislice, obě čáry téměř splývají; vlevo, kde kapalina teče snadno, úměra viskozitu nadhodnocuje, protože proud opouští trysku setrvačností. Červená značka vyznačuje oblast pod 1,35 °E, v níž se měření prostě nepokládá za spolehlivé.
02 · Převod
Zadejte to, co stojí na štítku
Všechny konvenční stupnice se převádějí na jedinou kinematickou viskozitu, takže přepočet mezi nimi je mechanický; jeho přesnost však není absolutní: Sayboltovy a Redwoodovy sekundy jsou s centistokes svázány stejně přibližnými vzorci, jaké Ubbelohde odvodil pro svůj vlastní přístroj.
Vodní hodnota přístroje je vynesena do jemných nastavení listu, protože doba výtoku na ní přímo závisí: jedna sekunda rozdílu v kalibraci dává asi dvě procenta ve výsledku.
Číslo bez teploty přepočítat nelze, a není to hnidopišství: jeden a týž olej dává asi dvanáct stupňů při padesáti stupních Celsia a méně než tři při stu. Není-li na štítku čerpadla teplota uvedena, čte se ve výchozím nastavení padesát stupňů pro průmyslové oleje a osmdesát pro topný olej — lépe je však najít to vydání normy, podle něhož byl štítek sestaven.
| Hodnota | Poznámka | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Řády veličin
logaritmická stupnice: od vody k bitumenu04 · Měřicí přístroje
Čím se měří viskozita
Mosazná nádoba ve vodní nebo olejové lázni, dole kuželová tryska a dřevěná zátka, kterou vytáhnete v témž okamžiku, kdy spustíte stopky. Dvě stě mililitrů se zachytí do odměrné baňky a sám přístroj se před sérií kalibruje vodou, protože tryska i objem se časem odchylují od atestovaných hodnot.
Americký příbuzný téže nálevky: tryska jiné ráže, dávka šedesáti mililitrů, a výsledek se nazývá prostě sekundami. Číslo vychází asi třicetkrát větší než Englerovo a v anglicky psaných ropných protokolech se s ním setkáváme dodnes, ačkoli ASTM dal dávno přednost centistokes.
Skleněná trubice se dvěma značkami, mezi nimiž prochází meniskus: doba pádu se násobí kapilární konstantou a dává centistokes přímo, bez jakýchkoli konvenčních stupnic. Metoda je popsána v ISO 3104 a ASTM D445 a právě ona vytlačila nálevky, neboť vyžaduje náprstek vzorku a nezávisí na tom, čí ruka drží stopky.
Vřeteno se otáčí ve vzorku a měří se moment na hřídeli, takže doba zkoušky nezávisí na hustotě a je stejná pro olej i pro bitumen. Rotor umí to, co nálevka neumí: zadává rychlost smyku, a jen na něm je vidět, že mazivo s přísadami při rychlém smyku řídne.
05 · Pravidla zápisu
Stupeň bez teploty neznamená nic
Znak stupně se klade těsně k velkému latinskému písmenu, hodnota se odděluje mezerou a teplota měření se uvádí vždy, neboť bez ní nelze číslo ani ověřit, ani přepočítat. Sovětské označení konvenční viskozity se píše azbukou a rovněž s teplotou; klást však mezi stupně a centistokes rovnítko není přípustné ani v konceptu: vztah je přibližný a jednosměrný.
Druhý zápis zaměňuje veličinu s přístrojem, neboť stupně viskozity neexistují — existuje poměr časů, sejmutý na určité nálevce. Třetí klade rovnítko tam, kam patří přiblížení, a v protokolu tedy dává falešnou přesnost. Čtvrtý je prostě nemožný: pod 1,35 °E metoda nefunguje a číslo získané pro tak tekutou kapalinu neodráží viskozitu, nýbrž setrvačnost proudu.
06 · Sousední jednotky
Nejbližšími příbuznými jsou ostatní konvenční stupnice, postavené přesně stejně: doba výtoku dávky cejchovanou tryskou, jenže tryska je v každé zemi vlastní. Všechny sbíhají ke kinematické viskozitě, a ta je hustotou svázána s dynamickou — a teprve tato dvojice má skutečný rozměr a skutečný etalon.
voda se rovná jedné
výsledek přímo v sekundách
Redwood č. 1 sekunda
Z listů Simetria vedle stojí viskozitní třídy olejů ISO VG a SAE, jimž je tento list protějškem, poise a stokes ze soustavy CGS, a rovněž hustota v kg/m³, bez níž nelze přejít od kinematické viskozity k dynamické.
07 · Historický oddíl
Tři nálevky tří zemí
Carl Engler se zabýval zpracováním ropy a potřeboval číslo, jímž by bylo možno srovnávat zásilky přicházející z Baku a z Pensylvánie. Přístroj sestavil z toho, co stálo v laboratoři, a za měřítko vzal vodu, neboť byla po ruce každému kolegovi a nevyžadovala žádné tabulky.
Britský znalec Boverton Redwood a americký inženýr George Saybolt udělali každý svou nálevku a ani jeden nedělil čas vodou: výsledek uváděli přímo v sekundách. Myšlenka tří přístrojů byla táž, ráže trysek různé, a ve sporech mezi dodavatelem a odběratelem z toho byla tři různá čísla pro jednu cisternu.
Když se obchod stal mezinárodním, stala se nesrovnatelnost stupnic dražší než jejich pohodlnost a normy přešly na kinematickou viskozitu měřenou kapilárou. Německá DIN 51560 byla zrušena, ASTM ponechal Sayboltovy sekundy jen jako pomocný přepočet a konvenční viskozita podle GOST 6258 se v domácí praxi držela ještě desítky let.
Viskozita se dnes měří kapilárou nebo rotorem, ale čerpadla, převodovky a hospodářství topných olejů postavená před přechodem pracují dál podle svých štítků. Seřizovač, který čte «ne hustší než 8 °E při 50 °C», převede to na šedesát čtverečních milimetrů za sekundu a olej pak vybírá už podle třídy ISO VG — jednotka tedy nežije v laboratoři, nýbrž v dokladech.
Přístroj, který je sám sobě etalonem
Englerův stupeň nemá a mít nemůže etalon v obvyklém smyslu, neboť definice neodkazuje na přírodní konstantu, nýbrž na uspořádání: nádoba tohoto objemu, tryska této ráže, dávka dvou set mililitrů. Atestuje se proto ne jednotka, nýbrž přístroj, a dělá se to vodou — jedinou kapalinou, jejíž doba výtoku se pokládá za známou. Z toho plyne celá obřadná stránka měření: čerstvá vodní hodnota před sérií, tři shodná měření, zapsaná teplota lázně.
Slabost takové konstrukce se ukázala právě tam, kde byla její pohodlnost největší. Dokud závod srovnával vlastní zásilky na vlastní nálevce, čísla znamenitě souhlasila; jakmile však bylo třeba srovnat zásilky dvou zemí, ukázalo se, že společnou veličinu nemají — jsou jen tři protokoly, mezi nimiž není možné nic lepšího než přibližný přepočet. Kapilární viskozimetr úlohu vyřešil tím, že měření vrátil rozměr: dává čtvereční milimetry za sekundu a kapilární konstanta se ověřuje proti referenčním kapalinám, ne proti vlastní minulosti.
Katalog · měřicí jednotky
List pro každou veličinu
Sedm základních jednotek SI, dvaadvacet odvozených s vlastními jmény a veličiny mimo soustavu, bez nichž by nefungovala ani technika, ani kalendář.