Pagriežot karoti tējas tasē, lai to sajauktu, var parādīt, cik lietderīgi ir saprast šķidrumu dinamiku ikdienas dzīvē. Izmantojot fiziku, lai aprakstītu šķidrumu plūsmu un uzvedību, var parādīt sarežģītus un sarežģītus spēkus, kas veic tik vienkāršu uzdevumu kā tējas tases maisīšana. Bīdes ātrums ir viens piemērs, kas var izskaidrot šķidrumu uzvedību.
Bīdes ātruma formula
Šķidrums tiek "nobīdīts", kad dažādi šķidruma slāņi pārvietojas viens otram garām. Bīdes ātrums apraksta šo ātrumu. Tehniskāka definīcija ir tāda, ka bīdes ātrums ir plūsmas ātruma gradients perpendikulāri vai taisnā leņķī pret plūsmas virzienu. Tas rada šķidruma slodzi, kas var pārtraukt saites starp materiāla daļiņām, tāpēc to raksturo kā "bīdes".
Novērojot plātnes vai materiāla slāņa paralēlo kustību, kas atrodas virs citas plāksnes vai slāņa, kas ir tomēr jūs varat noteikt bīdes ātrumu pēc šī slāņa ātruma attiecībā pret attālumu starp abiem slāņi. Zinātnieki un inženieri izmanto formuluγ = V / xpar bīdes ātrumuγ("gamma") s vienībās-1, kustīgā slāņa ātrumsVun attālums starp slāņiemmmetros.
Tas ļauj aprēķināt bīdes ātrumu kā pašu slāņu kustības funkciju, ja pieņemat, ka augšējā plāksne vai slānis pārvietojas paralēli apakšai. Bīdes ātruma vienības parasti ir s-1 dažādiem mērķiem.
Bīdes stress
Nospiežot šķidrumu, piemēram, losjonu, uz ādas, šķidruma kustība kļūst paralēla jūsu ādai un pretojas kustībai, kas šķidrumu nospiež tieši uz ādas. Šķidruma forma attiecībā uz ādu ietekmē to, kā losjona daļiņas sadalās, tās uzklājot.
Varat arī saistīt bīdes ātrumuγlīdz bīdes spriegumamτ("tau") pret viskozitāti, šķidruma izturību pret plūsmu,η("eta") līdz
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in kuruτir vienādas ar spiediena vienībām (N / m2 vai paskali Pa) unηvienībās(N / m2 s). Theviskozitātedod jums citu veidu, kā aprakstīt šķidruma kustību un aprēķināt bīdes spriegumu, kas raksturīgs tikai pašas šķidruma vielai.
Šī bīdes ātruma formula ļauj zinātniekiem un inženieriem noteikt viņu izmantotā materiāla stresa būtību pētot tādu mehānismu biofiziku kā elektronu transporta ķēde un ķīmiskos mehānismus, piemēram, polimēru applūšana.
Citas bīdes ātruma formulas
Sarežģītāki bīdes ātruma formulas piemēri ir saistīti ar bīdes ātrumu ar citām šķidrumu īpašībām, piemēram, plūsmas ātrumu, porainību, caurlaidību un adsorbciju. Tas ļauj sarežģīti izmantot bīdes ātrumubioloģiskie mehānismi, piemēram, biopolimēru un citu polisaharīdu ražošana.
Šie vienādojumi tiek iegūti, teorētiski aprēķinot pašu fizisko parādību īpašības, kā arī pārbaudot, kāda veida formas, kustības un līdzīgu īpašību vienādojumi vislabāk atbilst šķidruma novērojumiem dinamika. Izmantojiet tos, lai aprakstītu šķidruma kustību.
C faktors bīdes ātrumā
Viens piemērsBleiks-Kozeny / Cannellakorelācija parādīja, ka jūs varat aprēķināt bīdes ātrumu no poru skalas plūsmas simulācijas vidējās vērtības, vienlaikus pielāgojot "C koeficients" - faktors, kas izskaidro šķidruma porainības, caurlaidības, šķidruma reoloģijas un citu vērtību īpašības variēt. Šis atklājums radās, pielāgojot C koeficientu pieņemamo daudzumu diapazonā, ko parādīja eksperimentu rezultāti.
Bīdes ātruma aprēķināšanas vienādojumu vispārīgā forma paliek relatīvi nemainīga. Zinātnieki un inženieri izmanto kustības slāņa ātrumu, dalītu ar attālumu starp slāņiem, kad tiek iegūti bīdes ātruma vienādojumi.
Bīdes ātrums pret Viskozitāte
Pastāv modernākas un niansētākas formulas dažādu šķidrumu bīdes ātruma un viskozitātes pārbaudei dažādiem, specifiskiem scenārijiem. Salīdzinot bīdes ātrumu vs. viskozitāte šajos gadījumos var parādīt, kad viens ir noderīgāks par otru. Paši konstruējot skrūves, kas izmanto atstarpes kanālus starp metāla spirālveida sekcijām, tās var viegli iekļauties dizainā, kuram tās ir domātas.
Processekstrūzija, produkta izgatavošanas metode, piespiežot materiālu caur tērauda disku atverēm veidot formu, var ļaut jums izgatavot īpašu metālu, plastmasas un pat pārtikas produktu, piemēram, makaronu vai graudaugu, dizainu. Tam ir pielietojums tādu farmaceitisko produktu izveidē kā suspensijas un specifiskas zāles. Ekstrūzijas process arī parāda atšķirību starp bīdes ātrumu un viskozitāti.
Ar vienādojumu
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
skrūves diametramDmm, skrūves ātrumsNapgriezienos minūtē (apgr./min) un kanāla dziļumāhmm, jūs varat aprēķināt bīdes ātrumu skrūves kanāla ekstrūzijai. Šis vienādojums ir ļoti līdzīgs sākotnējai bīdes ātruma formulai (γ = V / x)dalot kustīgā slāņa ātrumu ar attālumu starp abiem slāņiem. Tas arī dod jums braukšanas ātruma kalkulatoru, kas uzskaita dažādu procesu apgriezienus minūtē.
Bīdes ātrums, veicot skrūves
Šajā procesā inženieri izmanto bīdes ātrumu starp skrūvi un mucas sienu. Turpretī bīdes ātrums, skrūvei iekļūstot tērauda diskā, ir
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
ar tilpuma plūsmuJun cauruma rādiussR, kas joprojām ir līdzīga sākotnējai bīdes ātruma formulai.
Jūs aprēķinātJdalot spiediena kritumu pa kanāluΔPpēc polimēra viskozitātesη, līdzīgs sākotnējam bīdes sprieguma vienādojumamτ.Šie konkrētie piemēri sniedz jums citu metodi bīdes ātruma salīdzināšanai ar viskozitāti, un, izmantojot šīs šķidrumu kustības atšķirību kvantitatīvās noteikšanas metodes, jūs varat labāk izprast šo parādību dinamiku.
Bīdes ātruma un viskozitātes pielietojums
Izņemot pašu šķidrumu fizikālo un ķīmisko parādību izpēti, bīdes ātrumu un viskozitāti izmanto dažādos pielietojumos visā fizikā un inženierzinātnēs. Ņūtona šķidrumi, kuriem ir nemainīga viskozitāte, kad temperatūra un spiediens ir nemainīgi, jo šajos scenārijos nav ķīmisku fāzes izmaiņu reakciju.
Lielākā daļa reālo šķidrumu piemēru tomēr nav tik vienkārši. Jūs varat aprēķināt šķidrumu, kas nav Ņūtona, viskozitāti, jo tie ir atkarīgi no bīdes ātruma. Zinātnieki un inženieri parasti izmanto reometrus, mērot bīdes ātrumu un saistītos faktorus, kā arī veicot pašu griešanu.
Mainot dažādu šķidrumu formu un to izvietojumu attiecībā pret citiem šķidrumu slāņiem, viskozitāte var ievērojami atšķirties. Dažreiz zinātnieki un inženieri atsaucas uzšķietamā viskozitāte"izmantojot mainīgoηAkā šāda veida viskozitāte. Biofizikas pētījumi parādīja, ka šķietamā asins viskozitāte strauji palielinās, kad bīdes ātrums nokrītas zem 200 s-1.
Sistēmām, kas sūknē, sajauc un transportē šķidrumus, šķietamā viskozitāte līdzās bīdes ātrumiem dod inženieru veids, kā ražot produktus farmācijas nozarē un ražot ziedes un krēmi.
Šie produkti izmanto šo šķidrumu uzvedību, kas nav ņūtoniska, tāpēc viskozitāte samazinās, berzējot ādu ar ziedi vai krēmu. Kad jūs pārtraucat berzēt, šķidruma griešana arī apstājas tā, ka produkta viskozitāte palielinās un materiāls nosēžas.