Come calcolare la velocità di taglio

Girare un cucchiaio in una tazza di tè per mescolarlo può mostrarti quanto sia pertinente comprendere le dinamiche dei fluidi nella vita di tutti i giorni. Usare la fisica per descrivere il flusso e il comportamento dei liquidi può mostrarti le forze intricate e complicate che entrano in un compito così semplice come mescolare una tazza di tè. La velocità di taglio è un esempio che può spiegare il comportamento dei fluidi.

Un fluido viene "tranciato" quando diversi strati del fluido si muovono l'uno sull'altro. La velocità di taglio descrive questa velocità. Una definizione più tecnica è che la velocità di taglio è il gradiente di velocità del flusso perpendicolare, o ad angolo retto, alla direzione del flusso. Mette a dura prova il liquido che può rompere i legami tra le particelle nel suo materiale, motivo per cui è descritto come "taglio".

Quando osservi il movimento parallelo di una lastra o di uno strato di materiale che si trova sopra un'altra lastra o strato che è tuttavia, puoi determinare la velocità di taglio dalla velocità di questo strato rispetto alla distanza tra i due strati. Scienziati e ingegneri usano la formula

Ciò consente di calcolare la velocità di taglio in funzione del movimento degli strati stessi se si assume che la piastra o lo strato superiore si sposti parallelamente a quello inferiore. Le unità di velocità di taglio sono generalmente s^-1 per scopi diversi.

La pressione di un fluido come una lozione sulla pelle rende il movimento del fluido parallelo alla pelle e si oppone al movimento che preme il fluido direttamente sulla pelle. La forma del liquido rispetto alla pelle influenza il modo in cui le particelle della lozione si disgregano mentre vengono applicate.

Puoi anche mettere in relazione la velocità di taglioγallo sforzo di taglioτ("tau") alla viscosità, la resistenza di un fluido al flusso,η("eta") attraverso

​ion qualeτè la stessa unità di pressione (N/m² o pascal Pa) eηin unità di(N/m² S). Ilviscositàti dà un altro modo per descrivere il movimento del fluido e calcolare uno sforzo di taglio che è unico per la sostanza del fluido stesso.

Questa formula della velocità di taglio consente a scienziati e ingegneri di determinare la natura intrinseca dello stress puro sui materiali che utilizzano nello studio della biofisica di meccanismi come la catena di trasporto degli elettroni e meccanismi chimici come l'inondazione di polimeri.

Esempi più complicati della formula della velocità di taglio mettono in relazione la velocità di taglio con altre proprietà dei liquidi come velocità di flusso, porosità, permeabilità e adsorbimento. Ciò consente di utilizzare la velocità di taglio in complicatimeccanismi biologici, come la produzione di biopolimeri e altri polisaccaridi.

Queste equazioni sono prodotte attraverso calcoli teorici delle proprietà dei fenomeni fisici stessi, nonché testando quali tipi di equazioni per forma, movimento e proprietà simili si adattano meglio alle osservazioni del fluido dinamica. Usali per descrivere il movimento fluido.

Un esempio, ilBlake-Kozeny/Cannellacorrelazione, ha mostrato che è possibile calcolare la velocità di taglio dalla media di una simulazione di flusso su scala porosa durante la regolazione del "Fattore C", un fattore che spiega come le proprietà di porosità, permeabilità, reologia del fluido e altri valori del fluido variare. Questa scoperta è avvenuta regolando il fattore C entro un intervallo di quantità accettabili che i risultati sperimentali avevano mostrato.

La forma generale delle equazioni per il calcolo della velocità di taglio rimane relativamente la stessa. Scienziati e ingegneri usano la velocità dello strato in movimento divisa per la distanza tra gli strati quando elaborano le equazioni della velocità di taglio.

Esistono formule più avanzate e sfumate per testare la velocità di taglio e la viscosità di vari fluidi per scenari diversi e specifici. Confronto tra velocità di taglio e la viscosità per questi casi può mostrarti quando uno è più utile dell'altro. La progettazione di viti stesse che utilizzano canali di spazio tra sezioni metalliche a forma di spirale può consentire loro di adattarsi facilmente ai progetti a cui sono destinate.

Il processo diestrusione, un metodo per realizzare un prodotto forzando un materiale attraverso aperture in dischi di acciaio per formare una forma, può consentire di realizzare progetti specifici di metalli, plastica e persino alimenti come pasta o cereali. Questo ha applicazioni nella creazione di prodotti farmaceutici come sospensioni e farmaci specifici. Il processo di estrusione dimostra anche la differenza tra velocità di taglio e viscosità.

Con l'equazione

per diametro viteDin mm, velocità della vitenoin giri al minuto (rpm) e profondità del canalehin mm, è possibile calcolare la velocità di taglio per l'estrusione di un canale della vite. Questa equazione è molto simile alla formula originale della velocità di taglio (= V/x)dividendo la velocità dello strato in movimento per la distanza tra i due strati. Questo ti dà anche un calcolatore della velocità di taglio da rpm a shear che tiene conto dei giri al minuto di diversi processi.

Gli ingegneri utilizzano la velocità di taglio tra la vite e la parete della canna durante questo processo. Al contrario, la velocità di taglio quando la vite penetra nel disco di acciaio è

con la portata volumetricaQe raggio del foroR, che ha ancora una somiglianza con la formula originale della velocità di taglio.

tu calcoliQdividendo la caduta di pressione attraverso il canalePdalla viscosità del polimeroη, simile all'equazione originale per lo sforzo di taglioτ.Questi esempi specifici ti offrono un altro metodo per confrontare la velocità di taglio rispetto alla velocità di taglio. viscosità e, attraverso questi metodi di quantificazione delle differenze nel moto dei fluidi, è possibile comprendere meglio la dinamica di questi fenomeni.

Oltre a studiare i fenomeni fisici e chimici dei fluidi stessi, la velocità di taglio e la viscosità hanno usi in una varietà di applicazioni in fisica e ingegneria. Liquidi newtoniani che hanno una viscosità costante quando la temperatura e la pressione sono costanti perché non ci sono reazioni chimiche di cambiamenti di fase che si verificano in quegli scenari.

Tuttavia, la maggior parte degli esempi di fluidi nel mondo reale non sono così semplici. È possibile calcolare le viscosità dei fluidi non newtoniani poiché dipendono dalla velocità di taglio. Scienziati e ingegneri in genere utilizzano i reometri per misurare la velocità di taglio e i fattori correlati, nonché per eseguire il taglio stesso.

Quando si modifica la forma dei diversi fluidi e il modo in cui sono disposti rispetto agli altri strati di fluidi, la viscosità può variare in modo significativo. A volte scienziati e ingegneri si riferiscono al "viscosità apparente" usando la variabileAcome questo tipo di viscosità. La ricerca in biofisica ha dimostrato che la viscosità apparente del sangue aumenta rapidamente quando la velocità di taglio scende al di sotto di 200 s^-1.

Per i sistemi che pompano, miscelano e trasportano fluidi, la viscosità apparente insieme alle velocità di taglio dà ingegnerizza un modo di fabbricare prodotti nell'industria farmaceutica e la produzione di unguenti e creme.

Questi prodotti sfruttano il comportamento non newtoniano di questi fluidi in modo che la viscosità diminuisca quando si strofina un unguento o una crema sulla pelle. Quando si smette di strofinare, cessa anche la tranciatura del liquido per cui la viscosità del prodotto aumenta e il materiale si deposita.