Predenje žlice u šalici čaja za miješanje može vam pokazati koliko je važno shvatiti dinamiku tekućina u svakodnevnom životu. Korištenje fizike za opisivanje protoka i ponašanja tekućina može vam pokazati zamršene i komplicirane sile koje ulaze u tako jednostavan zadatak kao miješanje šalice čaja. Brzina smicanja jedan je od primjera koji može objasniti ponašanje tekućina.
Formula brzine smicanja
Tekućina se "šiša" kada se različiti slojevi tekućine pomiču jedan pored drugog. Brzina smicanja opisuje ovu brzinu. Tehnička definicija je da je brzina smicanja gradijent brzine protoka okomito ili pod pravim kutom na smjer protoka. To predstavlja opterećenje za tekućinu koja može prekinuti veze između čestica u svom materijalu, zbog čega je opisana kao "smicanje".
Kada promatrate paralelno kretanje ploče ili sloja materijala koji se nalazi iznad druge ploče ili sloja koji je ipak, brzinu smicanja možete odrediti iz brzine ovog sloja s obzirom na udaljenost između njih slojevi. Znanstvenici i inženjeri koriste se formulom
γ = V / xza brzinu smicanjaγ("gama") u jedinicama s-1, brzina pokretnog slojaVte udaljenost između slojevamu metrima.To vam omogućuje izračun brzine smicanja u ovisnosti o kretanju samih slojeva ako pretpostavite da se gornja ploča ili sloj pomiču paralelno s dnom. Jedinice brzine smicanja su obično s-1 u različite svrhe.
Napon smicanja
Pritiskom tekućine poput losiona na kožu kretanje tečnosti paralelno je vašoj koži i suprotstavlja se kretanju koje tekućinu pritiska izravno na kožu. Oblik tekućine s obzirom na vašu kožu utječe na to kako se čestice losiona raspadaju tijekom nanošenja.
Također možete povezati brzinu smicanjaγna posmični naponτ("tau") do viskoznosti, otpor tekućine prema protoku,η("eta") do
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
jan kojiτje iste jedinice kao i tlak (N / m2 ili paskali Pa) iηu jedinicama(N / m2 s). Theviskoznostdaje vam još jedan način opisivanja gibanja tekućine i izračunavanja posmičnog naprezanja koji je jedinstven za samu tvar tekućine.
Ova formula brzine smicanja omogućuje znanstvenicima i inženjerima da utvrde suštinsku prirodu pukog naprezanja materijala koji koriste u proučavanju biofizike mehanizama poput lanca transporta elektrona i kemijskih mehanizama poput poplave polimera.
Ostale formule brzine smicanja
Kompliciraniji primjeri formule brzine smicanja povezuju brzinu smicanja s drugim svojstvima tekućina kao što su brzina protoka, poroznost, propusnost i adsorpcija. To vam omogućuje komplicirano korištenje brzine smicanjabiološki mehanizmi, kao što je proizvodnja biopolimera i drugih polisaharida.
Te se jednadžbe dobivaju teoretskim proračunima svojstava samih fizičkih pojava, kao i kroz ispitivanje koje vrste jednadžbi za oblik, gibanje i slična svojstva najbolje odgovaraju opažanjima tekućine dinamika. Pomoću njih opisujte kretanje tekućine.
C-faktor u stupnju smicanja
Jedan primjer,Blake-Kozeny / CannellaKorelacija, pokazala je da možete izračunati brzinu smicanja iz prosjeka simulacije protoka u mjerilu pora dok podešavate "C-faktor", faktor koji objašnjava kako svojstva tekućine imaju poroznost, propusnost, reologiju fluida i druge vrijednosti varirati. Do ovog je otkrića došlo prilagodbom C-faktora unutar raspona prihvatljivih količina koje su pokazali eksperimentalni rezultati.
Opći oblik jednadžbi za izračunavanje brzine smicanja ostaje relativno isti. Znanstvenici i inženjeri koriste brzinu sloja u pokretu podijeljenu s udaljenostom između slojeva kada izlaze s jednadžbama brzine smicanja.
Stopa smicanja vs. Viskoznost
Postoje naprednije i nijansiranije formule za ispitivanje brzine smicanja i viskoznosti različitih tekućina za različite, specifične scenarije. Uspoređujući brzinu smicanja vs. viskoznost za ove slučajeve može vam pokazati kada je jedan korisniji od drugog. Sami projektiranje vijaka koji koriste razmak između metalnih spiralnih dijelova mogu im omogućiti da se lako uklope u dizajne kojima su namijenjeni.
Procesistiskivanje, metoda izrade proizvoda tjerajući materijal kroz otvore na čeličnim diskovima da oblikuju oblik, može vam omogućiti izradu specifičnih dizajna metala, plastike, pa čak i hrane poput tjestenine ili žitarica. Ovo ima primjene u stvaranju farmaceutskih proizvoda poput suspenzija i određenih lijekova. Proces istiskivanja također pokazuje razliku između brzine smicanja i viskoznosti.
Jednadžbom
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
za promjer vijkaDu mm, brzina vijkaNu okretajima u minuti (o / min) i dubini kanalahu mm, možete izračunati brzinu smicanja za istiskivanje vijčanog kanala. Ova je jednadžba izrazito slična izvornoj formuli brzine smicanja (γ = V / x)u dijeljenju brzine pomičnog sloja s razmakom između dva sloja. To vam također daje kalkulator brzine smicanja o / min koji računa okretaje u minuti različitih procesa.
Stupanj smicanja pri izradi vijaka
Tijekom ovog postupka inženjeri koriste brzinu smicanja između vijka i zida cijevi. Suprotno tome, brzina smicanja dok vijak prodire kroz čelični disk je
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
s volumetrijskim protokomPi polumjer rupeR, koji još uvijek podsjeća na izvornu formulu brzine smicanja.
RačunatePdijeljenjem pada tlaka preko kanalaΔPviskoznošću polimeraη, slično izvornoj jednadžbi posmičnog naprezanjaτ.Ovi konkretni primjeri daju vam još jednu metodu za usporedbu brzine smicanja naspram viskoznosti i pomoću ovih metoda kvantificiranja razlika u kretanju tekućina možete bolje razumjeti dinamiku tih pojava.
Primjena brzine smicanja i viskoznosti
Osim proučavanja fizikalnih i kemijskih pojava samih tekućina, brzina posmika i viskoznost koriste se u raznim primjenama u fizici i inženjerstvu. Newtonove tekućine koje imaju stalnu viskoznost kad su temperatura i tlak konstantni jer u tim scenarijima nema kemijskih reakcija promjena u fazi.
Većina primjera tekućine u stvarnosti ipak nije tako jednostavna. Možete izračunati viskoznosti ne-Newtonovih tekućina jer ovise o brzini smicanja. Znanstvenici i inženjeri obično koriste reometre za mjerenje brzine smicanja i srodnih čimbenika, kao i za izvođenje samog smicanja.
Kako mijenjate oblik različitih tekućina i kako su raspoređeni u odnosu na ostale slojeve tekućina, viskoznost može značajno varirati. Ponekad se znanstvenici i inženjeri pozivaju na "prividna viskoznost"pomoću varijableηAkao ova vrsta viskoznosti. Istraživanje u biofizici pokazalo je da se prividna viskoznost krvi brzo povećava kad brzina smicanja padne ispod 200 s-1.
Za sustave koji pumpaju, miješaju i transportiraju tekućine, daje se prividna viskoznost uz brzinu smicanja inženjeri način proizvodnje proizvoda u farmaceutskoj industriji i proizvodnja masti i kreme.
Ovi proizvodi iskorištavaju ne-newtonovsko ponašanje ovih tekućina tako da se viskoznost smanjuje kad mažete kožu ili kremu mašću. Kad prestanete trljati, prestaje i smicanje tekućine tako da se povećava viskoznost proizvoda i materijal se taloži.