كيفية حساب معدل القص

يمكن أن يوضح لك غزل ملعقة في كوب من الشاي لخلطها مدى أهمية فهم ديناميات السوائل في الحياة اليومية. إن استخدام الفيزياء لوصف تدفق السوائل وسلوكها يمكن أن يوضح لك القوى المعقدة والمعقدة التي تدخل في مهمة بسيطة مثل تقليب فنجان من الشاي. معدل القص هو أحد الأمثلة التي يمكن أن تفسر سلوك السوائل.

يتم "قص" السائل عندما تتحرك طبقات مختلفة من السائل فوق بعضها البعض. يصف معدل القص هذه السرعة. تعريف أكثر تقنية هو أن معدل القص هو سرعة التدفق التدرج العمودي ، أو بزاوية قائمة ، على اتجاه التدفق. إنه يشكل ضغطًا على السائل قد يكسر الروابط بين الجسيمات في مادته ، وهذا هو السبب في وصفه بأنه "القص".

عندما تلاحظ الحركة المتوازية لصفيحة أو طبقة من مادة فوق لوحة أو طبقة أخرى لا يزال ، يمكنك تحديد معدل القص من سرعة هذه الطبقة فيما يتعلق بالمسافة بين الاثنين طبقات. يستخدم العلماء والمهندسون الصيغةγ = V / سلمعدل القصγ("جاما") بوحدات من الثانية^-1، سرعة الطبقة المتحركةالخامسوالمسافة بين الطبقاتمبالأمتار.

يتيح لك هذا حساب معدل القص كدالة لحركة الطبقات نفسها إذا افترضت أن اللوحة العلوية أو الطبقة تتحرك موازية للأسفل. وحدات معدل القص بشكل عام s^-1 لأغراض مختلفة.

يؤدي الضغط على سائل مثل المستحضر على الجلد إلى جعل حركة السائل موازية لجلدك ويعارض الحركة التي تضغط السائل مباشرة على الجلد. يؤثر شكل السائل بالنسبة لبشرتك على كيفية تفكك جزيئات المستحضر أثناء وضعه.

يمكنك أيضًا ربط معدل القصγلإجهاد القصτ("تاو") إلى اللزوجة ، ومقاومة السائل للتدفق ،η("إيتا") حتى

​أنان الذيτهي نفس وحدات الضغط (N / m² أو باسكال باسكال) وηفي وحدات من(N / م² س). الاللزوجةيمنحك طريقة أخرى لوصف حركة السائل وحساب إجهاد القص الذي يتفرد به مادة السائل نفسه.

تتيح صيغة معدل القص هذه للعلماء والمهندسين تحديد الطبيعة الجوهرية للإجهاد المطلق للمواد التي يستخدمونها في دراسة الفيزياء الحيوية لآليات مثل سلسلة نقل الإلكترون والآليات الكيميائية مثل غمر البوليمر.

ترتبط الأمثلة الأكثر تعقيدًا لصيغة معدل القص بمعدل القص بخصائص السوائل الأخرى مثل سرعة التدفق والمسامية والنفاذية والامتصاص. يتيح لك هذا استخدام معدل القص بشكل معقدالآليات البيولوجية، مثل إنتاج البوليمرات الحيوية والسكريات الأخرى.

يتم إنتاج هذه المعادلات من خلال الحسابات النظرية لخصائص الظواهر الفيزيائية نفسها ، وكذلك من خلال اختبار أنواع المعادلات الخاصة بالشكل والحركة والخصائص المماثلة التي تتطابق بشكل أفضل مع ملاحظات السوائل ديناميات. استخدمها لوصف الحركة السائلة.

مثال واحد ،بليك كوزيني / كانيلاالارتباط ، أنه يمكنك حساب معدل القص من متوسط ​​محاكاة تدفق مقياس المسام أثناء ضبط "عامل C" ، وهو عامل يفسر كيفية خصائص السائل في المسامية والنفاذية وريولوجيا السوائل والقيم الأخرى يتغير. جاءت هذه النتيجة من خلال ضبط العامل C ضمن نطاق من الكميات المقبولة التي أظهرتها النتائج التجريبية.

يبقى الشكل العام للمعادلات لحساب معدل القص كما هو نسبيًا. يستخدم العلماء والمهندسون سرعة الطبقة المتحركة مقسومة على المسافة بين الطبقات عند الخروج بمعادلات معدل القص.

توجد صيغ أكثر تقدمًا ودقة لاختبار معدل القص ولزوجة السوائل المختلفة لسيناريوهات مختلفة ومحددة. مقارنة معدل القص مقابل. يمكن أن توضح لك اللزوجة في هذه الحالات متى يكون أحدهما أكثر فائدة من الآخر. إن تصميم البراغي نفسها التي تستخدم قنوات المسافة بين الأقسام المعدنية الشبيهة باللولب يمكن أن يجعلها تتناسب بسهولة مع التصميمات المخصصة لها.

عمليةقذف، طريقة لصنع منتج عن طريق دفع مادة من خلال فتحات في أقراص فولاذية لتشكيل شكل ، يمكن أن تتيح لك عمل تصميمات محددة من المعادن والبلاستيك وحتى الأطعمة مثل المعكرونة أو الحبوب. هذا له تطبيقات في إنشاء منتجات صيدلانية مثل المعلقات والأدوية المحددة. توضح عملية البثق أيضًا الفرق بين معدل القص واللزوجة.

مع المعادلة

لقطر المسماردفي مم ، سرعة المسمارنفي عدد الدورات في الدقيقة (rpm) وعمق القناةحبالملليمتر ، يمكنك حساب معدل القص لبثق قناة لولبية. هذه المعادلة تشبه بشكل صارخ صيغة معدل القص الأصلية (γ = V / س)في قسمة سرعة الطبقة المتحركة على المسافة بين الطبقتين. يمنحك هذا أيضًا معدل دوران في الدقيقة لقص الآلة الحاسبة التي تمثل الثورات في الدقيقة للعمليات المختلفة.

يستخدم المهندسون معدل القص بين البرغي وجدار البرميل أثناء هذه العملية. في المقابل ، فإن معدل القص عندما يخترق المسمار القرص الصلب هو

مع التدفق الحجميسونصف قطر الثقبر، والتي لا تزال تشبه صيغة معدل القص الأصلية.

أنت تحسبسبقسمة انخفاض الضغط عبر القناةΔ صبواسطة لزوجة البوليمرη، على غرار المعادلة الأصلية لضغط القصτ.تمنحك هذه الأمثلة المحددة طريقة أخرى لمقارنة معدل القص مقابل. اللزوجة ، ومن خلال هذه الأساليب لقياس الاختلافات في حركة السوائل ، يمكنك فهم ديناميكيات هذه الظواهر بشكل أفضل.

بخلاف دراسة الظواهر الفيزيائية والكيميائية للسوائل نفسها ، فإن معدل القص واللزوجة لهما استخدامات في مجموعة متنوعة من التطبيقات عبر الفيزياء والهندسة. السوائل النيوتونية التي لها لزوجة ثابتة عندما تكون درجة الحرارة والضغط ثابتين لأنه لا توجد تفاعلات كيميائية للتغيرات في المرحلة التي تحدث في تلك السيناريوهات.

ومع ذلك ، فإن معظم الأمثلة الواقعية للسوائل ليست بهذه البساطة. يمكنك حساب لزوجة السوائل غير النيوتونية لأنها تعتمد على معدل القص. عادةً ما يستخدم العلماء والمهندسون مقاييس الريومتر في قياس معدل القص والعوامل ذات الصلة بالإضافة إلى أداء القص نفسه.

عندما تقوم بتغيير شكل السوائل المختلفة وكيفية ترتيبها فيما يتعلق بطبقات السوائل الأخرى ، يمكن أن تختلف اللزوجة بشكل كبير. يشير العلماء والمهندسون أحيانًا إلى "اللزوجة الظاهرية"باستخدام المتغيرηمثل هذا النوع من اللزوجة. أظهرت الأبحاث في الفيزياء الحيوية أن اللزوجة الظاهرية للدم تزداد بسرعة عندما ينخفض ​​معدل القص إلى أقل من 200 ثانية.^-1.

بالنسبة للأنظمة التي تضخ وتخلط وتنقل السوائل ، تعطي اللزوجة الظاهرة جنبًا إلى جنب مع معدلات القص المهندسين طريقة لتصنيع المنتجات في صناعة الأدوية وإنتاج المراهم و كريمات.

تستفيد هذه المنتجات من السلوك غير النيوتوني لهذه السوائل بحيث تقل اللزوجة عند فرك مرهم أو كريم على بشرتك. عندما تتوقف عن الاحتكاك ، يتوقف قص السائل أيضًا بحيث تزداد لزوجة المنتج وتستقر المادة.