Lusikan pyörittäminen kupilliseen teetä sen sekoittamiseksi voi osoittaa, kuinka tarkoituksenmukaista on ymmärtää nesteiden dynamiikkaa jokapäiväisessä elämässä. Fysiikan käyttäminen nesteen virtauksen ja käyttäytymisen kuvaamiseen voi näyttää monimutkaiset ja monimutkaiset voimat, jotka menevät niin yksinkertaiseksi tehtäväksi kuin kupin teen sekoittaminen. Leikkausnopeus on yksi esimerkki, joka voi selittää nesteiden käyttäytymisen.
Leikkausnopeuden kaava
Neste "leikataan", kun nesteen eri kerrokset liikkuvat toistensa ohi. Leikkausnopeus kuvaa tätä nopeutta. Teknisempi määritelmä on, että leikkausnopeus on virtauksen nopeuden gradientti kohtisuorassa tai suorassa kulmassa virtaussuuntaan nähden. Se aiheuttaa rasituksen nesteelle, joka voi rikkoa sidoksia materiaalissa olevien hiukkasten välillä, minkä vuoksi sitä kuvataan "leikkaukseksi".
Kun tarkkailet levyn tai materiaalikerroksen yhdensuuntaista liikettä, joka on toisen levyn tai kerroksen yläpuolella silti voit määrittää leikkausnopeuden tämän kerroksen nopeudesta suhteessa näiden kahden väliseen etäisyyteen kerroksia. Tutkijat ja insinöörit käyttävät kaavaa
Tämän avulla voit laskea leikkausnopeuden itse kerrosten liikkeen funktiona, jos oletat, että ylempi levy tai kerros liikkuu yhdensuuntaisesti pohjan kanssa. Leikkausnopeusyksiköt ovat yleensä s-1 eri tarkoituksiin.
Leikkausjännitys
Nesteen, kuten voiteen, painaminen iholle tekee nesteen liikkeestä yhdensuuntaisen ihon kanssa ja vastustaa liikettä, joka painaa nestettä suoraan iholle. Nesteen muoto suhteessa ihoon vaikuttaa siihen, kuinka voiteen partikkelit hajoavat levitettäessä.
Voit myös liittää leikkausnopeudenγleikkausjännitykseenτ("tau") viskositeettiin, nesteen virtauskestävyyteen,η("eta") kautta
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in mikäτon samat yksiköt kuin paine (N / m2 tai paskalit Pa) jaηyksikköinä(N / m2 s).viskositeettiantaa sinulle toisen tavan kuvata nesteen liikettä ja laskea leikkausjännitys, joka on ainutlaatuinen itse nesteen aineelle.
Tämän leikkausnopeuskaavan avulla tutkijat ja insinöörit voivat määrittää käyttämiensä materiaalien pelkän stressin luonteen tutkimalla elektronien siirtoketjun kaltaisten mekanismien ja kemiallisten mekanismien, kuten polymeerien tulva, biofysiikkaa.
Muut leikkausnopeuskaavat
Monimutkaisemmat esimerkit leikkausnopeuskaavasta liittyvät leikkausnopeuteen nesteiden muihin ominaisuuksiin, kuten virtausnopeuteen, huokoisuuteen, läpäisevyyteen ja adsorptioon. Tämän avulla voit käyttää leikkausnopeutta monimutkaisessa tilassabiologiset mekanismit, kuten biopolymeerien ja muiden polysakkaridien tuotanto.
Nämä yhtälöt tuotetaan teoreettisten laskelmien avulla sekä fysikaalisten ilmiöiden ominaisuuksista että testaamalla, minkä tyyppiset muodon, liikkeen ja vastaavien ominaisuuksien yhtälöt sopivat parhaiten nesteen havaintoihin dynamiikka. Käytä niitä kuvaamaan nesteen liikettä.
C-kerroin leikkausnopeudessa
Yksi esimerkki,Blake-Kozeny / Cannellakorrelaatio osoitti, että voit laskea leikkausnopeuden huokosasteikon virtaussimulaation keskiarvosta säätämällä "C-tekijä", tekijä, joka ottaa huomioon nesteen huokoisuuden, läpäisevyyden, nesteen reologian ja muiden arvojen ominaisuudet vaihdella. Tämä havainto tapahtui säätämällä C-tekijä hyväksyttävien määrien rajoissa, jotka kokeelliset tulokset olivat osoittaneet.
Yhtälöiden yleinen muoto leikkausnopeuden laskemiseksi pysyy suhteellisen samana. Tutkijat ja insinöörit käyttävät liikkuvan kerroksen nopeutta jaettuna kerrosten välisellä etäisyydellä leikkausnopeuden yhtälöiden keksimisessä.
Leikkausaste vs. Viskositeetti
Kehittyneempiä ja vivahteikkaampia kaavoja on olemassa eri nesteiden leikkausnopeuden ja viskositeetin testaamiseksi erilaisille, erityisille skenaarioille. Leikkausnopeuden vs. Näiden tapausten viskositeetti voi näyttää, milloin toinen on hyödyllisempi kuin toinen. Suunnittelemalla ruuvit itse, jotka käyttävät tilakanavia metallisten spiraalimaisten osien välissä, niiden voi mahtua helposti malleihin, joihin ne on tarkoitettu.
Prosessisuulakepuristus, menetelmä tuotteen valmistamiseksi pakottamalla materiaali teräslevyjen aukkojen läpi muodostaakseen muodon, voi antaa sinun tehdä erityisiä malleja metallista, muovista ja jopa elintarvikkeista, kuten pastasta tai viljasta. Tällä on sovelluksia farmaseuttisten tuotteiden, kuten suspensioiden ja tiettyjen lääkkeiden, luomisessa. Suulakepuristusprosessi osoittaa myös eron leikkausnopeuden ja viskositeetin välillä.
Yhtälön kanssa
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
ruuvin halkaisijalleDmillimetreinä, ruuvin nopeusNkierrosta minuutissa (rpm) ja kanavan syvyyshmillimetreinä, voit laskea leikkausnopeuden ruuvikanavan puristamista varten. Tämä yhtälö on jyrkästi samanlainen kuin alkuperäinen leikkausnopeuskaava (γ = V / x)jakamalla liikkuvan kerroksen nopeus kahden kerroksen välisellä etäisyydellä. Tämä antaa sinulle myös kierrosnopeuden leikkausnopeuden laskimen, joka ottaa huomioon eri prosessien kierrosta minuutissa.
Leikkausnopeus ruuveja tehtäessä
Insinöörit käyttävät ruuvin ja tynnyrin seinämän välistä leikkausnopeutta tämän prosessin aikana. Sitä vastoin leikkausnopeus ruuvin tunkeutuessa teräslevyyn on
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
tilavuusvirran kanssaQja reiän sädeR, joka on edelleen samanlainen kuin alkuperäinen leikkausnopeuskaava.
LaskeQjakamalla painehäviö kanavan yliΔPpolymeerin viskositeetin perusteellaη, samanlainen kuin leikkausjännityksen alkuperäinen yhtälöτ.Nämä erityiset esimerkit antavat sinulle toisen menetelmän leikkausnopeuden ja viskositeetti, ja näiden nesteiden liikkeen erojen kvantifiointimenetelmien avulla voit ymmärtää näiden ilmiöiden dynamiikan paremmin.
Leikkausnopeus ja viskositeettisovellukset
Lukuun ottamatta itse nesteiden fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden tutkimista, leikkausnopeudella ja viskositeetilla on käyttökohteita monissa sovelluksissa fysiikassa ja tekniikassa. Newtonin nesteet, joilla on vakio viskositeetti lämpötilan ja paineen ollessa vakiot, koska näissä skenaarioissa ei tapahdu vaihemuutosten kemiallisia reaktioita.
Useimmat todelliset esimerkit nesteistä eivät kuitenkaan ole niin yksinkertaisia. Voit laskea muiden kuin Newtonin nesteiden viskositeetit, koska ne riippuvat leikkausnopeudesta. Tutkijat ja insinöörit käyttävät reometrejä tyypillisesti leikkausnopeuden ja siihen liittyvien tekijöiden mittaamiseen sekä itse leikkaamisen suorittamiseen.
Kun muutat eri nesteiden muotoa ja niiden järjestystä suhteessa muihin nesteiden kerroksiin, viskositeetti voi vaihdella merkittävästi. Joskus tutkijat ja insinöörit viittaavatnäennäinen viskositeetti"käyttämällä muuttujaaηAtämän tyyppisenä viskositeettina. Biofysiikan tutkimus on osoittanut, että veren näennäinen viskositeetti kasvaa nopeasti, kun leikkausnopeus putoaa alle 200 s-1.
Nesteitä pumppaavissa, sekoittavissa ja kuljettavissa järjestelmissä näennäinen viskositeetti leikkausnopeuksien ohella antaa insinöörien tapa valmistaa tuotteita lääketeollisuudessa ja voiteiden ja voiteet.
Nämä tuotteet hyödyntävät näiden nesteiden käyttäytymistä ei-Newtonin aikana, joten viskositeetti pienenee, kun hierot voidetta tai voidetta ihollesi. Kun lopetat hankaamisen, myös nesteen leikkaaminen loppuu niin, että tuotteen viskositeetti kasvaa ja materiaali laskeutuu.
