Faire tourner une cuillère dans une tasse de thé pour la mélanger peut vous montrer à quel point il est pertinent de comprendre la dynamique des fluides dans la vie de tous les jours. L'utilisation de la physique pour décrire l'écoulement et le comportement des liquides peut vous montrer les forces complexes et complexes qui entrent dans une tâche aussi simple que remuer une tasse de thé. Le taux de cisaillement est un exemple qui peut expliquer le comportement des fluides.
Formule du taux de cisaillement
Un fluide est "cisaillé" lorsque différentes couches du fluide se déplacent les unes sur les autres. Le taux de cisaillement décrit cette vitesse. Une définition plus technique est que le taux de cisaillement est le gradient de vitesse d'écoulement perpendiculaire, ou à angle droit, à la direction d'écoulement. Il exerce une pression sur le liquide qui peut rompre les liaisons entre les particules de son matériau, c'est pourquoi il est décrit comme un "cisaillement".
Lorsque vous observez le mouvement parallèle d'une plaque ou d'une couche d'un matériau qui se trouve au-dessus d'une autre plaque ou couche encore, vous pouvez déterminer le taux de cisaillement à partir de la vitesse de cette couche par rapport à la distance entre les deux couches. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent la formule
Cela vous permet de calculer le taux de cisaillement en fonction du mouvement des couches elles-mêmes si vous supposez que la plaque ou la couche supérieure se déplace parallèlement à la base. Les unités de taux de cisaillement sont généralement s-1 à des fins différentes.
Contrainte de cisaillement
En appuyant sur un fluide tel qu'une lotion sur votre peau, le mouvement du fluide est parallèle à votre peau et s'oppose au mouvement qui presse le fluide directement sur la peau. La forme du liquide par rapport à votre peau affecte la façon dont les particules de la lotion se décomposent lors de leur application.
Vous pouvez également relier le taux de cisaillementγà la contrainte de cisaillementτ("tau") à la viscosité, la résistance d'un fluide à l'écoulement,η("eta") à travers
\gamma = \frac{\eta}{\tau}
jen quiτest la même unité que la pression (N/m2 ou pascals Pa) etηen unités de(N/m2 s). leviscositévous donne une autre façon de décrire le mouvement du fluide et de calculer une contrainte de cisaillement propre à la substance du fluide lui-même.
Cette formule de taux de cisaillement permet aux scientifiques et aux ingénieurs de déterminer la nature intrinsèque de la contrainte de cisaillement des matériaux qu'ils utilisent dans l'étude de la biophysique de mécanismes tels que la chaîne de transport d'électrons et de mécanismes chimiques tels que l'inondation de polymères.
Autres formules de taux de cisaillement
Des exemples plus compliqués de la formule du taux de cisaillement relient le taux de cisaillement à d'autres propriétés des liquides telles que la vitesse d'écoulement, la porosité, la perméabilité et l'adsorption. Cela vous permet d'utiliser le taux de cisaillement dans desmécanismes biologiques, comme la production de biopolymères et d'autres polysaccharides.
Ces équations sont produites par des calculs théoriques des propriétés des phénomènes physiques eux-mêmes, ainsi que en testant les types d'équations pour la forme, le mouvement et les propriétés similaires qui correspondent le mieux aux observations de fluide dynamique. Utilisez-les pour décrire un mouvement fluide.
Facteur C dans le taux de cisaillement
Un exemple, leBlake-Kozeny/Cannellacorrélation, a montré que vous pouvez calculer le taux de cisaillement à partir de la moyenne d'une simulation d'écoulement à l'échelle des pores tout en ajustant le « facteur C », un facteur qui explique comment les propriétés du fluide de porosité, de perméabilité, de rhéologie du fluide et d'autres valeurs varier. Cette découverte a été obtenue en ajustant le facteur C dans une plage de quantités acceptables que les résultats expérimentaux avaient montrée.
La forme générale des équations de calcul du taux de cisaillement reste relativement la même. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent la vitesse de la couche en mouvement divisée par la distance entre les couches pour élaborer des équations de taux de cisaillement.
Taux de cisaillement vs. Viscosité
Des formules plus avancées et nuancées existent pour tester le taux de cisaillement et la viscosité de divers fluides pour différents scénarios spécifiques. Comparaison du taux de cisaillement vs. la viscosité pour ces cas peut vous montrer quand l'un est plus utile que l'autre. Concevoir des vis elles-mêmes qui utilisent des canaux d'espace entre les sections métalliques en forme de spirale peut leur permettre de s'intégrer facilement dans les conceptions auxquelles elles sont destinées.
Le processus deextrusion, une méthode de fabrication d'un produit en forçant un matériau à travers des ouvertures dans des disques en acier pour former une forme, peut vous permettre de créer des conceptions spécifiques de métaux, de plastiques et même d'aliments comme des pâtes ou des céréales. Cela a des applications dans la création de produits pharmaceutiques tels que des suspensions et des médicaments spécifiques. Le processus d'extrusion démontre également la différence entre le taux de cisaillement et la viscosité.
Avec l'équation
\gamma = \frac{\pi DN}{60h}
pour diamètre de visréen mm, vitesse de visNen tours par minute (tr/min) et profondeur de canalhen mm, vous pouvez calculer le taux de cisaillement pour l'extrusion d'un canal de vis. Cette équation est très similaire à la formule originale du taux de cisaillement (= V/x)en divisant la vitesse de la couche en mouvement par la distance entre les deux couches. Cela vous donne également un calculateur de vitesse de rotation à cisaillement qui prend en compte les révolutions par minute de différents processus.
Taux de cisaillement lors de la fabrication de vis
Les ingénieurs utilisent le taux de cisaillement entre la vis et la paroi du canon pendant ce processus. En revanche, le taux de cisaillement lorsque la vis pénètre dans le disque en acier est
\gamma = \frac{4Q}{\pi R^3}
avec le débit volumétriqueQet rayon du trouR, qui ressemble toujours à la formule originale du taux de cisaillement.
tu calculesQen divisant la chute de pression à travers le canalPpar la viscosité du polymèreη, similaire à l'équation d'origine pour la contrainte de cisaillementτ.Ces exemples spécifiques vous donnent une autre méthode de comparaison du taux de cisaillement par rapport au taux de cisaillement. viscosité, et, grâce à ces méthodes de quantification des différences de mouvement des fluides, vous pouvez mieux comprendre la dynamique de ces phénomènes.
Applications de taux de cisaillement et de viscosité
Outre l'étude des phénomènes physiques et chimiques des fluides eux-mêmes, le taux de cisaillement et la viscosité ont des utilisations dans diverses applications en physique et en ingénierie. Liquides newtoniens qui ont une viscosité constante lorsque la température et la pression sont constantes car il n'y a pas de réactions chimiques de changements de phase se produisant dans ces scénarios.
Cependant, la plupart des exemples de fluides du monde réel ne sont pas si simples. Vous pouvez calculer les viscosités des fluides non newtoniens car elles dépendent du taux de cisaillement. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent généralement des rhéomètres pour mesurer le taux de cisaillement et les facteurs connexes, ainsi que pour effectuer le cisaillement lui-même.
Lorsque vous modifiez la forme de différents fluides et leur disposition par rapport aux autres couches de fluides, la viscosité peut varier considérablement. Parfois, les scientifiques et les ingénieurs se réfèrent au "viscosité apparente" en utilisant la variableAcomme ce type de viscosité. Des recherches en biophysique ont montré que la viscosité apparente du sang augmente rapidement lorsque le taux de cisaillement tombe en dessous de 200 s-1.
Pour les systèmes qui pompent, mélangent et transportent des fluides, la viscosité apparente ainsi que les taux de cisaillement donnent ingénieurs une façon de fabriquer des produits dans l'industrie pharmaceutique et la production de pommades et crèmes.
Ces produits tirent parti du comportement non newtonien de ces fluides afin que la viscosité diminue lorsque vous frottez de la pommade ou de la crème sur votre peau. Lorsque vous arrêtez de frotter, le cisaillement du liquide s'arrête également de sorte que la viscosité du produit augmente et que la matière se dépose.