Hacer girar una cuchara en una taza de té para mezclarlo puede mostrarle lo pertinente que es comprender la dinámica de los fluidos en la vida cotidiana. El uso de la física para describir el flujo y el comportamiento de los líquidos puede mostrarle las fuerzas intrincadas y complicadas que intervienen en una tarea tan simple como remover una taza de té. La velocidad de corte es un ejemplo que puede explicar el comportamiento de los fluidos.
Fórmula de velocidad de corte
Un fluido se "corta" cuando diferentes capas del fluido se mueven entre sí. La tasa de cizallamiento describe esta velocidad. Una definición más técnica es que la velocidad de corte es el gradiente de velocidad del flujo perpendicular, o en ángulo recto, a la dirección del flujo. Impone una tensión en el líquido que puede romper los enlaces entre las partículas de su material, por lo que se describe como un "cizallamiento".
Cuando observa el movimiento paralelo de una placa o una capa de un material que está por encima de otra placa o capa que está Aún así, puede determinar la tasa de corte a partir de la velocidad de esta capa con respecto a la distancia entre los dos capas. Los científicos e ingenieros usan la fórmula
γ = V / xpara velocidad de corteγ("gamma") en unidades de s-1, velocidad de la capa en movimientoVy distancia entre las capasmetroen metros.Esto le permite calcular la velocidad de corte en función del movimiento de las capas en sí, si asume que la placa superior o la capa se mueven paralelamente a la inferior. Las unidades de velocidad de corte son generalmente s-1 para diferentes propósitos.
Esfuerzo cortante
Presionar un líquido como una loción sobre la piel hace que el movimiento del líquido sea paralelo a la piel y se opone al movimiento que presiona el líquido directamente sobre la piel. La forma del líquido con respecto a su piel afecta cómo se rompen las partículas de la loción a medida que se aplican.
También puede relacionar la velocidad de corteγal esfuerzo cortanteτ("tau") a la viscosidad, la resistencia de un fluido a fluir,η("eta") hasta
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
In queτson las mismas unidades que la presión (N / m2 o pascales Pa) yηen unidades de(Nuevo Méjico2 s). Laviscosidadle ofrece otra forma de describir el movimiento del fluido y calcular un esfuerzo cortante que es exclusivo de la sustancia del fluido en sí.
Esta fórmula de velocidad de corte permite a los científicos e ingenieros determinar la naturaleza intrínseca de la tensión pura en los materiales que utilizan. en el estudio de la biofísica de mecanismos como la cadena de transporte de electrones y los mecanismos químicos como la inundación de polímeros.
Otras fórmulas de velocidad de corte
Los ejemplos más complicados de la fórmula de la velocidad de corte relacionan la velocidad de corte con otras propiedades de los líquidos, como la velocidad de flujo, la porosidad, la permeabilidad y la adsorción. Esto le permite utilizar la velocidad de corte en complicadosmecanismos biológicos, como la producción de biopolímeros y otros polisacáridos.
Estas ecuaciones se producen mediante cálculos teóricos de las propiedades de los fenómenos físicos en sí, así como a través de la prueba de qué tipos de ecuaciones de forma, movimiento y propiedades similares coinciden mejor con las observaciones de fluidos dinámica. Úselos para describir el movimiento de un fluido.
Factor C en velocidad de corte
Un ejemplo, elBlake-Kozeny / Cannellacorrelación, demostró que se puede calcular la velocidad de corte a partir del promedio de una simulación de flujo a escala de poros mientras se ajusta el "Factor C", un factor que explica cómo las propiedades del fluido de porosidad, permeabilidad, reología del fluido y otros valores variar. Este hallazgo se produjo mediante el ajuste del factor C dentro de un rango de cantidades aceptables que habían mostrado los resultados experimentales.
La forma general de las ecuaciones para calcular la velocidad de corte sigue siendo relativamente la misma. Los científicos e ingenieros utilizan la velocidad de la capa en movimiento dividida por la distancia entre las capas cuando elaboran ecuaciones de velocidad de corte.
Tasa de corte vs. Viscosidad
Existen fórmulas más avanzadas y matizadas para probar la velocidad de corte y la viscosidad de varios fluidos para diferentes escenarios específicos. Comparando la velocidad de corte vs. La viscosidad para estos casos puede mostrarle cuándo uno es más útil que el otro. Diseñar tornillos que usen canales de espacio entre secciones metálicas en forma de espiral puede permitirles encajar fácilmente en los diseños para los que están destinados.
El proceso deextrusión, un método para fabricar un producto al forzar un material a través de aberturas en discos de acero para darle forma, puede permitirle hacer diseños específicos de metales, plásticos e incluso alimentos como pasta o cereales. Esto tiene aplicaciones en la creación de productos farmacéuticos como suspensiones y medicamentos específicos. El proceso de extrusión también demuestra la diferencia entre velocidad de cizallamiento y viscosidad.
Con la ecuación
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
para diámetro de tornilloDen mm, velocidad del tornillonorteen revoluciones por minuto (rpm) y profundidad del canalhen mm, puede calcular la velocidad de corte para la extrusión de un canal de tornillo. Esta ecuación es muy similar a la fórmula original de velocidad de corte (γ = V / x)al dividir la velocidad de la capa en movimiento por la distancia entre las dos capas. Esto también le proporciona una calculadora de velocidad de corte que tiene en cuenta las revoluciones por minuto de diferentes procesos.
Tasa de corte al hacer tornillos
Los ingenieros utilizan la velocidad de corte entre el tornillo y la pared del cilindro durante este proceso. Por el contrario, la velocidad de corte cuando el tornillo penetra en el disco de acero es
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
con el flujo volumétricoQy radio del agujeroR, que todavía se parece a la fórmula original de velocidad de corte.
Tu calculasQdividiendo la caída de presión a lo largo del canalΔPpor la viscosidad del polímeroη, similar a la ecuación original para el esfuerzo cortanteτ.Estos ejemplos específicos le brindan otro método para comparar la velocidad de corte vs. viscosidad y, a través de estos métodos de cuantificación de las diferencias en el movimiento de los fluidos, puede comprender mejor la dinámica de estos fenómenos.
Aplicaciones de velocidad de cizallamiento y viscosidad
Además de estudiar los fenómenos físicos y químicos de los propios fluidos, la velocidad de cizallamiento y la viscosidad tienen usos en una variedad de aplicaciones en la física y la ingeniería. Líquidos newtonianos que tienen una viscosidad constante cuando la temperatura y la presión son constantes porque no se producen reacciones químicas de cambios de fase en esos escenarios.
Sin embargo, la mayoría de los ejemplos de fluidos del mundo real no son tan simples. Puede calcular las viscosidades de fluidos no newtonianos, ya que dependen de la velocidad de corte. Los científicos e ingenieros suelen utilizar reómetros para medir la velocidad de cizallamiento y factores relacionados, así como para realizar el cizallamiento en sí.
A medida que cambia la forma de diferentes fluidos y cómo están dispuestos con respecto a las otras capas de fluidos, la viscosidad puede variar significativamente. A veces, los científicos e ingenieros se refieren a "viscosidad aparente"usando la variableηAcomo este tipo de viscosidad. La investigación en biofísica ha demostrado que la viscosidad aparente de la sangre aumenta rápidamente cuando la velocidad de corte cae por debajo de 200 s.-1.
Para sistemas que bombean, mezclan y transportan fluidos, la viscosidad aparente junto con las tasas de cizallamiento da diseña una forma de fabricar productos en la industria farmacéutica y la producción de ungüentos y cremas.
Estos productos aprovechan el comportamiento no newtoniano de estos fluidos para que la viscosidad disminuya cuando se frota ungüento o crema en la piel. Cuando dejas de frotar, el cizallamiento del líquido también se detiene para que la viscosidad del producto aumente y el material se asiente.