סיבוב כף בכוס תה כדי לערבב אותה יכול להראות לך כמה חשוב להבין את הדינמיקה של נוזלים בחיי היומיום. שימוש בפיזיקה לתיאור זרימתם והתנהגותם של נוזלים יכול להראות לכם את הכוחות המורכבים והמסובכים הנכנסים למשימה כה פשוטה כמו ערבוב כוס תה. קצב הגזירה הוא דוגמה אחת שיכולה להסביר את התנהגות הנוזלים.
נוסחת קצב גזירה
נוזל "גזז" כאשר שכבות שונות של הנוזל עוברות זו על זו. קצב גזירה מתאר מהירות זו. הגדרה טכנית יותר היא שקצב הגזירה הוא שיפוע מהירות הזרימה בניצב, או בזווית ישרה, לכיוון הזרימה. הוא מהווה עומס על הנוזל שעלול לשבור קשרים בין חלקיקים בחומרו, ולכן הוא מתואר כ"גזירה ".
כאשר אתה מתבונן בתנועה המקבילה של צלחת או שכבת חומר שמעל צלחת או שכבה אחרת ובכל זאת, אתה יכול לקבוע את קצב הגזירה ממהירות השכבה הזו ביחס למרחק בין השניים שכבות. מדענים ומהנדסים משתמשים בנוסחהγ = V / xלשיעור גזירהγ("גמא") ביחידות של s-1, מהירות השכבה הנעיתוומרחק בין השכבותMבמטרים.
זה מאפשר לך לחשב את קצב הגזירה כפונקציה של תנועת השכבות עצמה אם אתה מניח שהצלחת העליונה או השכבה נעים במקביל לתחתית. יחידות קצב הגזירה הם בדרך כלל s-1 למטרות שונות.
מתח גזירה
לחיצה על נוזל כמו קרם על עורכם הופכת את תנועת הנוזל למקבילה לעורכם ומתנגדת לתנועה הלוחצת את הנוזל ישירות על העור. צורת הנוזל ביחס לעור שלך משפיעה על האופן בו חלקיקי הקרם מתפרקים תוך כדי מריחתם.
אתה יכול גם להתייחס לקצב גזירהγלמתח הגזירהτ("טאו") לצמיגות, עמידות של נוזל לזרימה,η("eta") דרך
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
אניn אשרτהוא אותן יחידות כמו לחץ (N / m2 או pascals Pa) ו-ηביחידות של(N / m2 s). הצְמִיגוּתנותן לך דרך נוספת לתאר את תנועת הנוזל ולחשב את מתח הגזירה הייחודי לחומר הנוזל עצמו.
נוסחת קצב גזירה זו מאפשרת למדענים ומהנדסים לקבוע את האופי המהותי של לחץ מוחלט לחומרים בהם הם משתמשים בחקר הביופיזיקה של מנגנונים כמו שרשרת הובלת האלקטרונים ומנגנונים כימיים כמו הצפה של פולימרים.
נוסחאות קצב גזירה אחרות
דוגמאות מסובכות יותר לנוסחת קצב הגזירה מתייחסות לקצב גזירה לתכונות אחרות של נוזלים כגון מהירות זרימה, נקבוביות, חדירות וספיחה. זה מאפשר לך להשתמש בקצב גזירה מסובךמנגנונים ביולוגיים, כמו ייצור ביו-פולימרים ופוליסכרידים אחרים.
משוואות אלה מופקות באמצעות חישובים תיאורטיים של מאפייני התופעות הפיזיקליות עצמן, כמו גם דרך בדיקת אילו סוגי משוואות לצורה, תנועה ותכונות דומות המתאימות ביותר לתצפיות הנוזל דִינָמִיקָה. השתמש בהם לתיאור תנועה נוזלית.
גורם C בשיעור הגזירה
דוגמה אחת, הבלייק-קוזני / קנלהמתאם, הראה כי ניתן לחשב את קצב הגזירה מהממוצע של סימולציה של זרימת נקבובית תוך התאמת ה- "גורם C", גורם המסביר כיצד תכונות הנוזל של נקבוביות, חדירות, ריאולוגיה של נוזלים וערכים אחרים לְהִשְׁתַנוֹת. ממצא זה התרחש באמצעות התאמת גורם C בטווח של כמויות מקובלות שתוצאות הניסוי הראו.
הצורה הכללית של המשוואות לחישוב קצב הגזירה נותרה זהה יחסית. מדענים ומהנדסים משתמשים במהירות השכבה בתנועה חלקי המרחק בין השכבות כאשר הם מגיעים עם משוואות של קצב גזירה.
שיעור גזירה לעומת צְמִיגוּת
ישנן נוסחאות מתקדמות וניואניות יותר לבדיקת קצב הגזירה וצמיגות הנוזלים השונים לתרחישים ספציפיים שונים. השוואת קצב גזירה לעומת צמיגות למקרים אלה יכולה להראות לך כאשר האחד שימושי יותר מהשני. תכנון ברגים עצמם המשתמשים בערוצי חלל בין חלקים דמויי ספירלה מתכתיים יכול לאפשר להם להשתלב בקלות בעיצובים המיועדים להם.
התהליך שלשִׁחוּל, שיטה לייצור מוצר על ידי אילוץ חומר דרך פתחים בדיסקי פלדה ליצירת צורה, יכולה לאפשר לך ליצור עיצובים ספציפיים של מתכות, פלסטיק ואפילו מזונות כמו פסטה או דגני בוקר. יש לכך יישומים ביצירת מוצרים פרמצבטיים כמו השעיות ותרופות ספציפיות. תהליך ההחלפה מדגים גם את ההבדל בין קצב גזירה וצמיגות.
עם המשוואה
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
לקוטר הבורגדבמ"מ, מהירות בורגנבסיבובים לדקה (סל"ד) ועומק הערוץחבמ"מ, אתה יכול לחשב את קצב הגזירה עבור שחול של תעלת בורג. משוואה זו דומה לחלוטין לנוסחת קצב הגזירה המקורי (γ = V / x)בחלוקת מהירות השכבה הנעה למרחק בין שתי השכבות. זה גם נותן לך סל"ד למחשבון קצב גזירה המהווה סיבובים לדקה של תהליכים שונים.
קצב גזירה בעת ייצור ברגים
מהנדסים משתמשים בקצב הגזירה בין הבורג לקיר הקנה במהלך תהליך זה. לעומת זאת, קצב הגזירה כאשר הבורג חודר לדיסק הפלדה הוא
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
עם הזרימה הנפחיתשורדיוס חורר, אשר עדיין דומה לנוסחת קצב הגזירה המקורי.
אתה מחשבשעל ידי חלוקת ירידת הלחץ על פני הערוץΔPעל ידי צמיגות הפולימרη, בדומה למשוואה המקורית למתח גזירהτ.דוגמאות ספציפיות אלו נותנות לך שיטה נוספת להשוואת קצב גזירה לעומת צמיגות, ובאמצעות שיטות אלה לכימות ההבדלים בתנועת הנוזלים תוכלו להבין טוב יותר את הדינמיקה של תופעות אלה.
יישומי קצב גזירה וצמיגות
פרט לחקר התופעות הפיזיקליות והכימיות של נוזלים עצמם, קצב הגזירה וצמיגות השימושים הם במגוון יישומים בפיזיקה והנדסה. נוזלים ניוטוניים בעלי צמיגות קבועה כאשר הטמפרטורה והלחץ קבועים מכיוון שאין תגובות כימיות של שינויים בשלב המתרחשים בתרחישים אלה.
רוב הדוגמאות של נוזלים בעולם האמיתי אינן כל כך פשוטות. ניתן לחשב צמיגות של נוזלים שאינם ניוטוניים מכיוון שהם תלויים בקצב הגזירה. מדענים ומהנדסים בדרך כלל משתמשים ברהומטרים למדידת קצב הגזירה וגורמים קשורים וכן בביצוע הגזירה עצמה.
כאשר אתה משנה את צורתם של נוזלים שונים וכיצד הם מסודרים ביחס לשכבות הנוזלים האחרות, הצמיגות יכולה להשתנות באופן משמעותי. לפעמים מדענים ומהנדסים מתייחסים ל"צמיגות לכאורה"באמצעות המשתנהηAכמו סוג זה של צמיגות. מחקר בביופיזיקה הראה כי צמיגות לכאורה של הדם עולה במהירות כאשר קצב הגזירה יורד מתחת ל 200 שניות.-1.
עבור מערכות השואבות, מערבבים ומעבירים נוזלים, הצמיגות הנראית לצד שיעורי הגזירה נותנת מהנדסים דרך לייצר מוצרים בתעשיית התרופות וייצור משחות ו קרמים.
מוצרים אלה מנצלים את ההתנהגות הלא-ניוטונית של נוזלים אלה כך שהצמיגות פוחתת כאשר אתה משפשף משחה או קרם על עורך. כשאתה מפסיק להתחכך גזירת הנוזל מפסיקה גם כך שצמיגות המוצר גוברת והחומר מתייצב.