Въртенето на лъжица в чаша чай, за да го смесите, може да ви покаже колко уместно е да разберете динамиката на течностите в ежедневието. Използването на физика за описване на потока и поведението на течностите може да ви покаже сложните и сложни сили, които влизат в такава проста задача като разбъркване на чаша чай. Скоростта на срязване е един пример, който може да обясни поведението на течностите.
Формула на скоростта на срязване
Течността се „срязва“, когато различни слоеве от течността се придвижват един след друг. Скоростта на срязване описва тази скорост. По-техническо определение е, че скоростта на срязване е градиент на скоростта на потока, перпендикулярен или под прав ъгъл към посоката на потока. Той натоварва течността, която може да разруши връзките между частиците в материала, поради което е описана като „срязване“.
Когато наблюдавате паралелното движение на плоча или слой от материал, който е над друга плоча или слой, който е все пак можете да определите скоростта на срязване от скоростта на този слой по отношение на разстоянието между двете слоеве. Учените и инженерите използват формулата
γ = V / xза скорост на срязванеγ("гама") в единици s-1, скорост на подвижния слойVи разстоянието между слоеветемв метри.Това ви позволява да изчислите скоростта на срязване като функция от движението на самите слоеве, ако приемете, че горната плоча или слой се движат успоредно на дъното. Единиците на скоростта на срязване обикновено са s-1 за различни цели.
Срязващ стрес
Натискането на течност като лосион върху кожата ви прави движението на течността успоредно на кожата ви и се противопоставя на движението, което притиска течността директно върху кожата. Формата на течността по отношение на кожата ви влияе върху това как частиците от лосиона се разпадат, докато се нанасят.
Можете също така да свържете скоростта на срязванеγдо напрежението на срязванеτ("тау") до вискозитет, устойчивост на флуида към поток,η("ета") до
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in койтоτе същите единици като налягането (N / m2 или паскали Pa) иηв единици от(N / m2 с). Theвискозитетви дава друг начин за описание на движението на течността и изчисляване на напрежението на срязване, което е уникално за веществото на самата течност.
Тази формула на скоростта на срязване позволява на учените и инженерите да определят присъщата природа на силния стрес върху използваните от тях материали при изучаване на биофизиката на механизми като електронната транспортна верига и химични механизми като полимерно наводнение.
Други формули за скорост на срязване
По-сложни примери за формулата на скоростта на срязване свързват скоростта на срязване с други свойства на течности като скорост на потока, порьозност, пропускливост и адсорбция. Това ви позволява да използвате скорост на срязване в сложнибиологични механизми, като производството на биополимери и други полизахариди.
Тези уравнения се получават чрез теоретични изчисления на свойствата на самите физически явления, както и чрез тестване кои типове уравнения за форма, движение и подобни свойства, които най-добре отговарят на наблюденията на флуида динамика. Използвайте ги, за да опишете движението на течността.
C-фактор в скоростта на срязване
Един пример,Блейк-Козени / Канелакорелация, показа, че можете да изчислите скоростта на срязване от средната стойност на симулация на порест мащаб, докато настройвате "С-фактор", фактор, който отчита как свойствата на течността са порьозност, пропускливост, реология на течността и други стойности варират. Това откритие се получава чрез коригиране на С-фактора в рамките на приемливи количества, които експерименталните резултати са показали.
Общата форма на уравненията за изчисляване на скоростта на срязване остава относително същата. Учените и инженерите използват скоростта на движение на слоя, разделена на разстоянието между слоевете, когато измислят уравнения за скоростта на срязване.
Скорост на срязване срещу Вискозитет
Съществуват по-усъвършенствани и нюансирани формули за тестване на скоростта на срязване и вискозитета на различни течности за различни специфични сценарии. Сравнявайки скоростта на срязване спрямо вискозитетът за тези случаи може да ви покаже кога единият е по-полезен от другия. Проектирането на самите винтове, които използват пространствени канали между метални спираловидни секции, могат да им позволят лесно да се поберат в дизайни, за които са предназначени.
Процесът наекструзия, метод за производство на продукт чрез принуждаване на материал през отвори в стоманени дискове да оформят форма, може да ви позволи да правите специфични дизайни на метали, пластмаси и дори храни като тестени изделия или зърнени храни. Това има приложения при създаването на фармацевтични продукти като суспензии и специфични лекарства. Процесът на екструдиране също показва разликата между скоростта на срязване и вискозитета.
С уравнението
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
за диаметър на винтадв mm, скорост на винтнв обороти в минута (об / мин) и дълбочина на каналазв mm, можете да изчислите скоростта на срязване за екструдиране на винтов канал. Това уравнение е абсолютно подобно на оригиналната формула на скоростта на срязване (γ = V / x)при разделяне на скоростта на движещия се слой на разстоянието между двата слоя. Това ви дава и калкулатор на скоростта на срязване, който отчита оборотите в минута на различни процеси.
Скорост на срязване при правене на винтове
По време на този процес инженерите използват скоростта на срязване между винта и стената на цевта. За разлика от това, скоростта на срязване, когато винтът прониква през стоманения диск, е
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
с обемния потокВъпрос:и радиус на отвораR, което все още наподобява оригиналната формула на скоростта на срязване.
Вие изчисляватеВъпрос:чрез разделяне на спада на налягането в каналаΔPот вискозитета на полимераη, подобно на първоначалното уравнение за напрежение на срязванеτ.Тези конкретни примери ви дават друг метод за сравняване на скоростта на срязване спрямо вискозитет и чрез тези методи за количествено определяне на разликите в движението на течностите можете да разберете по-добре динамиката на тези явления.
Приложения за скорост на срязване и вискозитет
Освен изучаването на физичните и химичните явления на самите течности, скоростта на срязване и вискозитетът имат приложение в различни приложения във физиката и инженерството. Нютонови течности, които имат постоянен вискозитет, когато температурата и налягането са постоянни, тъй като в тези сценарии няма химични реакции на промени във фазата.
Повечето реални примери за течности обаче не са толкова прости. Можете да изчислите вискозитетите на не-нютоновите течности, тъй като те зависят от скоростта на срязване. Учените и инженерите обикновено използват реометри за измерване на скоростта на срязване и свързаните с тях фактори, както и за извършване на самото срязване.
Тъй като променяте формата на различните течности и начина им на подреждане спрямо останалите слоеве течности, вискозитетът може да варира значително. Понякога учените и инженерите се позовават на „привиден вискозитет"с помощта на променливатаηAкато този тип вискозитет. Изследванията в биофизиката показват, че привидният вискозитет на кръвта се увеличава бързо, когато скоростта на срязване падне под 200 s-1.
За системи, които изпомпват, смесват и транспортират течности, привидният вискозитет заедно със скоростите на срязване дава инженери начин на производство на продукти във фармацевтичната индустрия и производство на мехлеми и кремове.
Тези продукти се възползват от не-нютоновото поведение на тези течности, така че вискозитетът намалява, когато втривате мехлем или крем върху кожата си. Когато спрете да триете, срязването на течността също спира, така че вискозитетът на продукта се увеличава и материалът се утаява.