Memutar sendok dalam secangkir teh untuk mencampurnya dapat menunjukkan betapa pentingnya memahami dinamika cairan dalam kehidupan sehari-hari. Menggunakan fisika untuk menggambarkan aliran dan perilaku cairan dapat menunjukkan kepada Anda kekuatan yang rumit dan rumit yang masuk ke tugas sederhana seperti mengaduk secangkir teh. Laju geser adalah salah satu contoh yang dapat menjelaskan perilaku fluida.
Rumus Tingkat Geser
Sebuah cairan "digeser" ketika lapisan yang berbeda dari cairan bergerak melewati satu sama lain. Tingkat geser menggambarkan kecepatan ini. Definisi yang lebih teknis adalah bahwa laju geser adalah gradien kecepatan aliran yang tegak lurus, atau tegak lurus, terhadap arah aliran. Ini menimbulkan ketegangan pada cairan yang dapat memutuskan ikatan antara partikel dalam materialnya, itulah sebabnya itu digambarkan sebagai "geser."
Ketika Anda mengamati gerakan paralel pelat atau lapisan bahan yang berada di atas pelat atau lapisan lain, itu tetap saja, Anda dapat menentukan laju geser dari kecepatan lapisan ini sehubungan dengan jarak antara keduanya lapisan. Ilmuwan dan insinyur menggunakan rumus
= V/xuntuk laju geserγ("gamma") dalam satuan s-1, kecepatan lapisan yang bergerakVdan jarak antar lapisansayadalam meter.Ini memungkinkan Anda menghitung laju geser sebagai fungsi dari gerakan lapisan itu sendiri jika Anda menganggap pelat atau lapisan atas bergerak sejajar dengan bagian bawah. Satuan laju geser umumnya s-1 untuk tujuan yang berbeda.
Tegangan geser
Menekan cairan seperti lotion ke kulit Anda membuat gerakan cairan sejajar dengan kulit Anda dan menentang gerakan yang menekan cairan langsung ke kulit. Bentuk cairan sehubungan dengan kulit Anda mempengaruhi bagaimana partikel losion pecah saat dioleskan.
Anda juga dapat menghubungkan laju geserγterhadap tegangan geserτ("tau") terhadap viskositas, tahanan fluida untuk mengalir,η("eta") melalui
\gamma = \frac{\eta}{\tau}
sayan yang manaτadalah satuan yang sama dengan tekanan (N/m2 atau pascal Pa) danηdalam satuan(T/m2 s). Ituviskositasmemberi Anda cara lain untuk menggambarkan gerakan fluida dan menghitung tegangan geser yang unik untuk zat fluida itu sendiri.
Rumus laju geser ini memungkinkan para ilmuwan dan insinyur menentukan sifat intrinsik dari tegangan tipis pada bahan yang mereka gunakan dalam mempelajari mekanisme biofisika seperti rantai transpor elektron dan mekanisme kimia seperti banjir polimer.
Rumus Kecepatan Geser Lainnya
Contoh yang lebih rumit dari rumus laju geser menghubungkan laju geser dengan sifat lain dari cairan seperti kecepatan aliran, porositas, permeabilitas dan adsorpsi. Ini memungkinkan Anda menggunakan laju geser dalam rumitmekanisme biologis, seperti produksi biopolimer dan polisakarida lainnya.
Persamaan ini dihasilkan melalui perhitungan teoretis dari sifat-sifat fenomena fisik itu sendiri, serta melalui pengujian jenis persamaan mana untuk bentuk, gerak, dan sifat serupa yang paling cocok dengan pengamatan fluida dinamika. Gunakan mereka untuk menggambarkan gerakan fluida.
C-faktor dalam Tingkat Geser
Salah satu contohnya,Blake-Kozeny/Cannellakorelasi, menunjukkan bahwa Anda dapat menghitung laju geser dari rata-rata simulasi aliran skala pori sambil menyesuaikan "C-faktor," faktor yang menjelaskan bagaimana sifat fluida porositas, permeabilitas, reologi fluida dan nilai-nilai lainnya berbeda. Temuan ini muncul melalui penyesuaian faktor-C dalam kisaran jumlah yang dapat diterima yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen.
Bentuk umum persamaan untuk menghitung laju geser relatif sama. Para ilmuwan dan insinyur menggunakan kecepatan lapisan yang bergerak dibagi dengan jarak antar lapisan ketika menghasilkan persamaan laju geser.
Tingkat Geser vs. Viskositas
Rumus yang lebih canggih dan bernuansa ada untuk menguji laju geser dan viskositas berbagai cairan untuk skenario spesifik yang berbeda. Membandingkan laju geser vs. viskositas untuk kasus-kasus ini dapat menunjukkan kepada Anda kapan yang satu lebih berguna daripada yang lain. Merancang sekrup itu sendiri yang menggunakan saluran ruang antara bagian seperti spiral metalik dapat membuatnya masuk dengan mudah ke dalam desain yang dimaksudkan.
Proses dariekstrusi, metode membuat produk dengan memaksa bahan melalui lubang di cakram baja untuk membentuk suatu bentuk, memungkinkan Anda membuat desain khusus dari logam, plastik, dan bahkan makanan seperti pasta atau sereal. Ini memiliki aplikasi dalam menciptakan produk farmasi seperti suspensi dan obat-obatan tertentu. Proses ekstrusi juga menunjukkan perbedaan antara laju geser dan viskositas.
Dengan persamaan
\gamma = \frac{\pi DN}{60j}
untuk diameter sekrup:Ddalam mm, kecepatan sekruptidakdalam putaran per menit (rpm) dan kedalaman saluranhdalam mm, Anda dapat menghitung laju geser untuk ekstrusi saluran sekrup. Persamaan ini sangat mirip dengan rumus laju geser asli (= V/x)dalam membagi kecepatan lapisan yang bergerak dengan jarak antara dua lapisan. Ini juga memberi Anda kalkulator kecepatan geser rpm untuk menghitung putaran per menit dari berbagai proses.
Tingkat Geser Saat Membuat Sekrup
Insinyur menggunakan laju geser antara sekrup dan dinding laras selama proses ini. Sebaliknya, laju geser saat sekrup menembus piringan baja adalah
\gamma = \frac{4Q}{\pi R^3}
dengan aliran volumetrikQdan radius lubangR, yang masih memiliki kemiripan dengan rumus laju geser asli.
Anda menghitungQdengan membagi penurunan tekanan melintasi saluranPoleh viskositas polimerη, mirip dengan persamaan asli untuk tegangan geserτ.Contoh spesifik ini memberi Anda metode lain untuk membandingkan laju geser vs. viskositas, dan, melalui metode kuantifikasi perbedaan gerakan cairan ini, Anda dapat memahami dinamika fenomena ini dengan lebih baik.
Aplikasi Kecepatan Geser dan Viskositas
Selain mempelajari fenomena fisik dan kimia cairan itu sendiri, laju geser dan viskositas telah digunakan dalam berbagai aplikasi di seluruh fisika dan teknik. Cairan Newtonian yang memiliki viskositas konstan ketika suhu dan tekanan konstan karena tidak ada reaksi kimia perubahan fasa yang terjadi dalam skenario tersebut.
Namun, sebagian besar contoh cairan di dunia nyata tidak sesederhana itu. Anda dapat menghitung viskositas fluida non-Newtonian karena bergantung pada laju geser. Para ilmuwan dan insinyur biasanya menggunakan rheometers dalam mengukur laju geser dan faktor-faktor terkait serta melakukan geser itu sendiri.
Saat Anda mengubah bentuk cairan yang berbeda dan bagaimana mereka diatur sehubungan dengan lapisan cairan lainnya, viskositas dapat bervariasi secara signifikan. Terkadang para ilmuwan dan insinyur mengacu pada "viskositas jelas"menggunakan variabelAsebagai jenis viskositas. Penelitian di bidang biofisika telah menunjukkan bahwa viskositas nyata darah meningkat dengan cepat ketika laju geser turun di bawah 200 s-1.
Untuk sistem yang memompa, mencampur, dan mengangkut cairan, viskositas nyata di samping laju geser memberikan: merekayasa cara pembuatan produk di industri farmasi dan produksi salep dan krim.
Produk-produk ini memanfaatkan sifat non-Newtonian dari cairan ini sehingga kekentalannya berkurang saat Anda mengoleskan salep atau krim pada kulit Anda. Saat Anda berhenti menggosok, gesekan cairan juga berhenti sehingga viskositas produk meningkat dan material mengendap.