So berechnen Sie die Scherrate

Das Drehen eines Löffels in einer Tasse Tee zum Mischen kann Ihnen zeigen, wie wichtig es ist, die Dynamik von Flüssigkeiten im täglichen Leben zu verstehen. Die Verwendung von Physik zur Beschreibung des Flusses und des Verhaltens von Flüssigkeiten kann Ihnen die komplizierten und komplizierten Kräfte zeigen, die in eine so einfache Aufgabe wie das Rühren einer Tasse Tee einfließen. Die Scherrate ist ein Beispiel, das das Verhalten von Flüssigkeiten erklären kann.

Eine Flüssigkeit wird "geschert", wenn sich verschiedene Schichten der Flüssigkeit aneinander vorbeibewegen. Die Scherrate beschreibt diese Geschwindigkeit. Eine eher technische Definition ist, dass die Scherrate der Fließgeschwindigkeitsgradient senkrecht oder im rechten Winkel zur Fließrichtung ist. Es stellt eine Belastung für die Flüssigkeit dar, die Bindungen zwischen Partikeln in seinem Material aufbrechen kann, weshalb es als "Scheren" bezeichnet wird.

Wenn Sie die parallele Bewegung einer Platte oder einer Materialschicht beobachten, die sich über einer anderen Platte oder Schicht befindet, dennoch können Sie die Scherrate aus der Geschwindigkeit dieser Schicht in Bezug auf den Abstand zwischen den beiden bestimmen Schichten. Wissenschaftler und Ingenieure verwenden die Formel

Auf diese Weise können Sie die Scherrate als Funktion der Bewegung der Schichten selbst berechnen, wenn Sie davon ausgehen, dass sich die obere Platte oder Schicht parallel zur Unterseite bewegt. Die Einheiten der Schergeschwindigkeit sind im Allgemeinen s^-1 für verschiedene Zwecke.

Wenn Sie eine Flüssigkeit wie eine Lotion auf Ihre Haut drücken, wird die Bewegung der Flüssigkeit parallel zu Ihrer Haut und wirkt der Bewegung entgegen, die die Flüssigkeit direkt auf die Haut drückt. Die Form der Flüssigkeit in Bezug auf Ihre Haut beeinflusst, wie sich die Partikel der Lotion beim Auftragen auflösen.

Sie können auch die Scherrate beziehenγzur Schubspannungτ("tau") zur Viskosität, dem Fließwiderstand einer Flüssigkeit,η("eta") durch

​ichn wasτist die gleiche Einheit wie Druck (N/m² oder Pascal Pa) undηin Einheiten von(N/m² s). DasViskositätgibt Ihnen eine andere Möglichkeit, die Bewegung der Flüssigkeit zu beschreiben und eine Scherspannung zu berechnen, die für die Substanz der Flüssigkeit selbst einzigartig ist.

Mit dieser Formel für die Schergeschwindigkeit können Wissenschaftler und Ingenieure die inhärente Natur der Scherspannung der von ihnen verwendeten Materialien bestimmen bei der Untersuchung der Biophysik von Mechanismen wie der Elektronentransportkette und chemischen Mechanismen wie dem Polymerfluten.

Kompliziertere Beispiele der Schergeschwindigkeitsformel beziehen die Schergeschwindigkeit auf andere Eigenschaften von Flüssigkeiten wie Fließgeschwindigkeit, Porosität, Permeabilität und Adsorption. Dadurch können Sie die Scherrate in kompliziertenbiologische Mechanismen, wie die Herstellung von Biopolymeren und anderen Polysacchariden.

Diese Gleichungen werden durch theoretische Berechnungen der Eigenschaften der physikalischen Phänomene selbst sowie durch durch Testen, welche Arten von Gleichungen für Form, Bewegung und ähnliche Eigenschaften am besten zu den Beobachtungen von Flüssigkeiten passen Dynamik. Verwenden Sie sie, um flüssige Bewegungen zu beschreiben.

Ein Beispiel, dieBlake-Kozeny/CannellaKorrelation, zeigte, dass Sie die Scherrate aus dem Durchschnitt einer Porenskalenströmungssimulation berechnen können, während Sie die "C-Faktor", ein Faktor, der die Eigenschaften der Flüssigkeit hinsichtlich Porosität, Durchlässigkeit, Flüssigkeitsrheologie und anderen Werten berücksichtigt variieren. Dieses Ergebnis wurde durch die Anpassung des C-Faktors innerhalb eines Bereichs akzeptabler Mengen erreicht, die experimentelle Ergebnisse gezeigt hatten.

Die allgemeine Form der Gleichungen zur Berechnung der Schergeschwindigkeit bleibt relativ gleich. Wissenschaftler und Ingenieure verwenden die Geschwindigkeit der bewegten Schicht geteilt durch den Abstand zwischen den Schichten, um Gleichungen für die Scherrate aufzustellen.

Es gibt fortschrittlichere und nuanciertere Formeln zum Testen der Scherrate und Viskosität verschiedener Flüssigkeiten für verschiedene, spezifische Szenarien. Vergleich der Schergeschwindigkeit vs. Viskosität für diese Fälle kann Ihnen zeigen, wann das eine nützlicher ist als das andere. Durch das Entwerfen von Schrauben selbst, die Zwischenräume zwischen metallischen spiralförmigen Abschnitten verwenden, können sie leicht in Designs passen, für die sie gedacht sind.

Der Prozess vonExtrusion, eine Methode zur Herstellung eines Produkts, bei der ein Material durch Öffnungen in Stahlscheiben gepresst wird, um eine Form zu bilden, können Sie spezielle Designs von Metallen, Kunststoffen und sogar Lebensmitteln wie Nudeln oder Müsli erstellen. Dies findet Anwendung bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten wie Suspensionen und bestimmten Medikamenten. Der Extrusionsprozess zeigt auch den Unterschied zwischen Schergeschwindigkeit und Viskosität.

Mit der Gleichung

für SchraubendurchmesserDin mm, SchneckendrehzahlNeinin Umdrehungen pro Minute (U/min) und Kanaltiefehain mm können Sie die Schergeschwindigkeit für die Extrusion eines Schneckenkanals berechnen. Diese Gleichung ist der ursprünglichen Scherratenformel (γ = V/x)indem die Geschwindigkeit der sich bewegenden Schicht durch den Abstand zwischen den beiden Schichten geteilt wird. Dadurch erhalten Sie auch einen Drehzahl-Scherraten-Rechner, der Umdrehungen pro Minute verschiedener Prozesse berücksichtigt.

Ingenieure nutzen dabei die Scherrate zwischen Schnecke und Zylinderwand. Im Gegensatz dazu beträgt die Schergeschwindigkeit beim Eindringen der Schraube in die Stahlscheibe

mit dem VolumenstromQund LochradiusR, die noch Ähnlichkeit mit der ursprünglichen Schergeschwindigkeitsformel hat.

Sie berechnenQdurch Teilen des Druckabfalls über den KanalPdurch die Polymerviskositätη, ähnlich der ursprünglichen Gleichung für Schubspannungτ.Dieses spezielle Beispiel bietet Ihnen eine weitere Methode zum Vergleich der Scherrate vs. Viskosität, und durch diese Methoden zur Quantifizierung der Unterschiede in der Bewegung von Flüssigkeiten können Sie die Dynamik dieser Phänomene besser verstehen.

Abgesehen von der Untersuchung der physikalischen und chemischen Phänomene von Flüssigkeiten selbst werden Scherrate und Viskosität in einer Vielzahl von Anwendungen in der Physik und im Ingenieurwesen verwendet. Newtonsche Flüssigkeiten, die bei konstanter Temperatur und konstantem Druck eine konstante Viskosität aufweisen, da in diesen Szenarien keine chemischen Reaktionen von Phasenänderungen auftreten.

Die meisten realen Beispiele für Flüssigkeiten sind jedoch nicht so einfach. Sie können Viskositäten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten berechnen, da sie von der Scherrate abhängen. Wissenschaftler und Ingenieure verwenden Rheometer typischerweise zur Messung der Scherrate und verwandter Faktoren sowie zur Durchführung der Scherung selbst.

Wenn Sie die Form verschiedener Flüssigkeiten und ihre Anordnung in Bezug auf die anderen Flüssigkeitsschichten ändern, kann die Viskosität erheblich variieren. Manchmal beziehen sich Wissenschaftler und Ingenieure auf die "scheinbare Viskosität" unter Verwendung der VariablenAals diese Art von Viskosität. Forschungen in der Biophysik haben gezeigt, dass die scheinbare Viskosität von Blut schnell ansteigt, wenn die Scherrate unter 200 s. fällt^-1.

Bei Systemen, die Flüssigkeiten pumpen, mischen und transportieren, ergibt die scheinbare Viskosität zusammen mit den Scherraten Ingenieure eine Möglichkeit zur Herstellung von Produkten in der pharmazeutischen Industrie und zur Herstellung von Salben und Cremes.

Diese Produkte machen sich das nicht-newtonsche Verhalten dieser Flüssigkeiten zunutze, sodass die Viskosität beim Einreiben der Haut mit Salbe oder Creme abnimmt. Wenn Sie aufhören zu reiben, stoppt auch die Scherung der Flüssigkeit, so dass die Viskosität des Produkts ansteigt und sich das Material absetzt.