At spinde en ske i en kop te for at blande den kan vise dig, hvor relevant det er at forstå væskens dynamik i hverdagen. Brug af fysik til at beskrive væskernes strømning og opførsel kan vise dig de indviklede og komplicerede kræfter, der går i en så simpel opgave som at røre en kop te. Forskydningshastigheden er et eksempel, der kan forklare væskers opførsel.
Forskydningshastighedsformel
En væske "forskydes", når forskellige lag af væsken bevæger sig forbi hinanden. Forskydningshastighed beskriver denne hastighed. En mere teknisk definition er, at forskydningshastigheden er flowhastighedsgradienten vinkelret eller i en ret vinkel i forhold til flowretningen. Det udgør en belastning på væsken, der kan bryde bindinger mellem partikler i dets materiale, hvorfor det beskrives som en "forskydning".
Når du observerer den parallelle bevægelse af en plade eller et lag af et materiale, der er over en anden plade eller et lag, der er alligevel kan du bestemme forskydningshastigheden ud fra hastigheden af dette lag i forhold til afstanden mellem de to lag. Forskere og ingeniører bruger formlen
y = V / xfor forskydningshastighedγ("gamma") i enheder af s-1, hastigheden af det bevægelige lagVog afstanden mellem lagenemi meter.Dette giver dig mulighed for at beregne forskydningshastighed som en funktion af selve lagets bevægelse, hvis du antager, at toppladen eller laget bevæger sig parallelt med bunden. Forskydningshastighedsenhederne er generelt s-1 til forskellige formål.
Ren stress
Ved at trykke en væske som f.eks. Lotion på din hud, bliver væskens bevægelse parallel med din hud og modsætter sig den bevægelse, der presser væsken direkte på huden. Væskens form i forhold til din hud påvirker, hvordan lotionens partikler brydes, når de påføres.
Du kan også relatere forskydningshastighedγtil forskydningsspændingenτ("tau") til viskositet, en væskes modstand mod strømning,η("eta") igennem
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
jegn somτer de samme enheder som tryk (N / m2 eller pascal Pa) ogηi enheder af(N / m2 s). Detviskositetgiver dig en anden måde at beskrive væskens bevægelse og beregne en forskydningsspænding, der er unik for selve væskens stof.
Denne forskydningshastighedsformel lader forskere og ingeniører bestemme den iboende natur af ren stress for de materialer, de bruger i at studere biofysik af mekanismer som elektrontransportkæden og kemiske mekanismer såsom polymeroversvømmelse.
Andre formler for forskydningshastighed
Mere komplicerede eksempler på forskydningshastighedsformlen relaterer forskydningshastighed til andre egenskaber af væsker såsom strømningshastighed, porøsitet, permeabilitet og adsorption. Dette giver dig mulighed for at bruge forskydningshastighed i kompliceretbiologiske mekanismer, såsom produktion af biopolymerer og andre polysaccharider.
Disse ligninger produceres gennem teoretiske beregninger af egenskaberne af de fysiske fænomener i sig selv såvel som gennem testning af hvilke typer ligninger for form, bevægelse og lignende egenskaber, der bedst matcher observationer af væske dynamik. Brug dem til at beskrive flydende bevægelse.
C-faktor i forskydningshastighed
Et eksempel,Blake-Kozeny / Cannellakorrelation, viste at du kan beregne forskydningshastighed ud fra gennemsnittet af en porestørrelsessimulering, mens du justerer "C-faktor", en faktor der tegner sig for, hvordan væskens egenskaber af porøsitet, permeabilitet, væskereologi og andre værdier variere. Dette fund blev til ved at justere C-faktoren inden for en række acceptable mængder, som eksperimentelle resultater havde vist.
Den generelle form for ligningerne til beregning af forskydningshastighed forbliver relativt den samme. Forskere og ingeniører bruger lagets hastighed i bevægelse divideret med afstanden mellem lagene, når de kommer med ligningsfrekvenser.
Forskydningshastighed vs. Viskositet
Der findes mere avancerede og nuancerede formler til test af forskydningshastigheden og viskositeten af forskellige væsker for forskellige, specifikke scenarier. Sammenligning af forskydningshastighed vs. viskositet i disse tilfælde kan vise dig, hvornår den ene er mere nyttig end den anden. Selv at designe skruer, der bruger mellemrumskanaler mellem metalliske spirallignende sektioner, kan de let passe ind i design, som de er beregnet til.
Processen medekstrudering, en metode til fremstilling af et produkt ved at tvinge et materiale gennem åbninger i stålskiver for at danne en form, kan lade dig lave specifikke designs af metaller, plast og endda fødevarer som pasta eller korn. Dette har anvendelser til oprettelse af farmaceutiske produkter som suspensioner og specifikke lægemidler. Ekstruderingsprocessen viser også forskellen mellem forskydningshastighed og viskositet.
Med ligningen
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
for skruediameterDi mm, skruehastighedNi omdrejninger pr. minut (o / min) og kanaldybdehi mm kan du beregne forskydningshastigheden for ekstrudering af en skruekanal. Denne ligning svarer stærkt til den oprindelige forskydningshastighedsformel (γ = V / x)ved at dividere hastigheden af det bevægelige lag med afstanden mellem de to lag. Dette giver dig også en rpm til forskydningshastighedsberegner, der tegner sig for omdrejninger pr. Minut af forskellige processer.
Forskydningshastighed, når du laver skruer
Ingeniører bruger forskydningshastigheden mellem skruen og tøndervæggen under denne proces. I modsætning hertil er forskydningshastigheden, når skruen trænger ind i stålskiven
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
med volumenstrømmenSpørgsmålog hulradiusR, der stadig ligner den oprindelige forskydningshastighedsformel.
Du beregnerSpørgsmålved at opdele trykfaldet over kanalenAPved polymerviskositetenηsvarende til den oprindelige ligning for forskydningsspændingτ.Disse specifikke eksempler giver dig en anden metode til at sammenligne forskydningshastighed vs. viskositet, og gennem disse metoder til at kvantificere forskellene i væskers bevægelse, kan du forstå dynamikken i disse fænomener bedre.
Forskydningshastigheds- og viskositetsapplikationer
Bortset fra at studere de fysiske og kemiske fænomener i selve væsker, har forskydningshastighed og viskositet anvendelser i en række anvendelser på tværs af fysik og teknik. Newtonske væsker, der har en konstant viskositet, når temperatur og tryk er konstante, fordi der ikke er nogen kemiske reaktioner af faseændringer, der forekommer i disse scenarier.
De fleste eksempler på væske i den virkelige verden er dog ikke så enkle. Du kan beregne viskositeter for ikke-newtonske væsker, da de afhænger af forskydningshastighed. Forskere og ingeniører bruger typisk rheometre til måling af forskydningshastighed og relaterede faktorer samt til at udføre klipningen selv.
Når du ændrer formen på forskellige væsker, og hvordan de er arrangeret i forhold til de andre lag af væsker, kan viskositeten variere betydeligt. Nogle gange henviser forskere og ingeniører til "tilsyneladende viskositet"ved hjælp af variablenηAsom denne type viskositet. Forskning inden for biofysik har vist, at tilsyneladende viskositet af blod stiger hurtigt, når forskydningshastigheden falder under 200 s-1.
For systemer, der pumper, blander og transporterer væsker, giver den tilsyneladende viskositet sammen med forskydningshastighederne ingeniører en måde at fremstille produkter i den farmaceutiske industri og produktion af salver og cremer.
Disse produkter udnytter den ikke-newtonske opførsel af disse væsker, så viskositeten falder, når du gnider salve eller creme på din hud. Når du holder op med at gnide, stopper klipningen af væsken også, så produktets viskositet øges, og materialet sætter sig.