Jak vypočítat smykovou rychlost

Roztočení lžíce v šálku čaje na promíchání vám může ukázat, jak důležité je porozumět dynamice tekutin v každodenním životě. Použití fyziky k popisu toku a chování tekutin vám může ukázat složité a komplikované síly, které jdou do tak jednoduchého úkolu, jako je míchání šálku čaje. Smyková rychlost je jedním příkladem, který může vysvětlit chování tekutin.

Tekutina se „stříhá“, když se různé vrstvy tekutiny pohybují kolem sebe. Tuto rychlost popisuje smyková rychlost. Techničtější definice je, že smyková rychlost je gradient rychlosti proudění kolmý nebo v pravém úhlu ke směru proudění. Představuje napětí pro kapalinu, které může narušit vazby mezi částicemi v jejím materiálu, a proto je popisováno jako „střih“.

Když sledujete paralelní pohyb desky nebo vrstvy materiálu, která je nad jinou deskou nebo vrstvou, která je stále můžete určit smykovou rychlost z rychlosti této vrstvy s ohledem na vzdálenost mezi nimi vrstvy. Vědci a inženýři používají vzorecγ = V / xpro smykovou rychlost

To vám umožní vypočítat smykovou rychlost jako funkci pohybu samotných vrstev, pokud předpokládáte, že se horní deska nebo vrstva pohybuje rovnoběžně se spodní částí. Jednotky smykové rychlosti jsou obecně s^-1 pro různé účely.

Stisknutím tekutiny, jako je krém, na pokožku způsobíte, že tekutina se bude pohybovat rovnoběžně s pokožkou a postaví se proti pohybu, který tlačí tekutinu přímo na pokožku. Tvar kapaliny vzhledem k pokožce ovlivňuje to, jak se částice pleťové vody při aplikaci rozpadají.

Můžete také uvést smykovou rychlostγna smykové napětíτ("tau") k viskozitě, odporu kapaliny proti proudění,η(„eta“) prostřednictvím

​in kteréτjsou stejné jednotky jako tlak (N / m² nebo pascaly Pa) aηv jednotkách(N / m² s). Theviskozitavám poskytuje další způsob, jak popsat pohyb tekutiny a vypočítat smykové napětí, které je jedinečné pro samotnou látku tekutiny.

Tento vzorec smykové rychlosti umožňuje vědcům a technikům určit přirozenou povahu naprostého stresu pro materiály, které používají při studiu biofyziky mechanismů, jako je řetězec transportu elektronů, a chemických mechanismů, jako je zaplavování polymerů.

Složitější příklady vzorce smykové rychlosti se týkají smykové rychlosti s dalšími vlastnostmi kapalin, jako je rychlost proudění, pórovitost, propustnost a adsorpce. To vám umožní složitě použít smykovou rychlostbiologické mechanismy, jako je výroba biopolymerů a dalších polysacharidů.

Tyto rovnice jsou vytvářeny jak teoretickými výpočty vlastností samotných fyzikálních jevů, tak i prostřednictvím testování, které typy rovnic pro tvar, pohyb a podobné vlastnosti, které nejlépe odpovídají pozorování kapaliny dynamika. Použijte je k popisu pohybu tekutiny.

Jedním z příkladů jeBlake-Kozeny / Cannellakorelace ukázala, že při úpravě můžete vypočítat smykovou rychlost z průměru simulace toku v měřítku pórů „C-faktor“, faktor, který odpovídá za to, jak vlastnosti kapaliny pórovitosti, propustnosti, reologie tekutin a dalších hodnot lišit se. Toto zjištění přišlo úpravou C-faktoru v rozmezí přijatelných množství, která ukázaly experimentální výsledky.

Obecná forma rovnic pro výpočet smykové rychlosti zůstává relativně stejná. Vědci a inženýři používají rychlost roviny v pohybu dělenou vzdáleností mezi vrstvami, když přicházejí s rovnicemi smykové rychlosti.

Pro testování smykové rychlosti a viskozity různých kapalin pro různé konkrétní scénáře existují pokročilejší a jemnější vzorce. Porovnání smykové rychlosti vs. viskozita pro tyto případy vám může ukázat, kdy je jeden užitečnější než druhý. Samotné navrhování šroubů, které využívají kanály prostoru mezi kovovými spirálovitými částmi, jim umožňuje snadno zapadnout do návrhů, pro které jsou určeny.

Procesvytlačování, způsob výroby produktu protlačováním materiálu otvory v ocelových discích za účelem vytvoření tvaru, vám umožní vytvořit konkrétní vzory kovů, plastů a dokonce i potravin, jako jsou těstoviny nebo obiloviny. To má aplikace při vytváření farmaceutických produktů, jako jsou suspenze a konkrétní léky. Proces vytlačování také demonstruje rozdíl mezi smykovou rychlostí a viskozitou.

S rovnicí

pro průměr šroubuDv mm, rychlost šroubuNv otáčkách za minutu (ot / min) a hloubce kanáluhv mm můžete vypočítat smykovou rychlost pro vytlačování šroubového kanálu. Tato rovnice je ostře podobná původnímu vzorci smykové rychlosti (γ = V / x)v dělení rychlosti pohybující se vrstvy vzdáleností mezi dvěma vrstvami. Získáte také kalkulačku rychlosti otáčení za minutu, která počítá s otáčkami za minutu u různých procesů.

Během tohoto procesu používají inženýři smykovou rychlost mezi šroubem a stěnou hlavně. Naproti tomu je smyková rychlost při pronikání šroubu ocelovým kotoučem

s objemovým tokemQa poloměr díryR, který stále připomíná původní vzorec smykové rychlosti.

Vy spočítáteQdělením tlakové ztráty přes kanálΔPviskozitou polymeruη, podobně jako původní rovnice pro smykové napětíτ.Tento konkrétní příklad poskytuje další metodu porovnání smykové rychlosti vs. viskozita a pomocí těchto metod kvantifikace rozdílů v pohybu tekutin můžete lépe porozumět dynamice těchto jevů.

Kromě studia fyzikálních a chemických jevů samotných tekutin má smyková rychlost a viskozita využití v celé řadě aplikací napříč fyzikou a inženýrstvím. Newtonovské kapaliny, které mají konstantní viskozitu, když jsou teplota a tlak konstantní, protože v těchto scénářích nedochází k chemickým reakcím změn fází.

Většina příkladů tekutin v reálném světě však není tak jednoduchá. Můžete vypočítat viskozity nenewtonských tekutin, protože závisí na smykové rychlosti. Vědci a inženýři obvykle používají reometry k měření smykové rychlosti a souvisejících faktorů a také k provádění samotného stříhání.

Jak měníte tvar různých tekutin a jak jsou uspořádány vzhledem k ostatním vrstvám tekutin, viskozita se může výrazně lišit. Vědci a inženýři někdy odkazují na „zdánlivá viskozita"pomocí proměnnéηAjako tento typ viskozity. Výzkum v biofyzice ukázal, že zdánlivá viskozita krve rychle stoupá, když smyková rychlost klesne pod 200 s^-1.

U systémů, které čerpají, směšují a přepravují tekutiny, udává zdánlivá viskozita podél smykových rychlostí inženýři způsob výroby produktů ve farmaceutickém průmyslu a výroba mastí a krémy.

Tyto produkty těží z nenewtonovského chování těchto tekutin, takže viskozita klesá, když si pokožku potřete mastí nebo krémem. Když přestanete třít, přestane se stříhat také kapalina, takže se zvýší viskozita produktu a materiál se usadí.