Hoe de afschuifsnelheid te berekenen

Als je een lepel in een kopje thee draait om het te mengen, kun je zien hoe relevant het is om de dynamiek van vloeistoffen in het dagelijks leven te begrijpen. Door natuurkunde te gebruiken om de stroming en het gedrag van vloeistoffen te beschrijven, kun je de ingewikkelde en gecompliceerde krachten zien die gepaard gaan met zo'n eenvoudige taak als het roeren van een kopje thee. De afschuifsnelheid is een voorbeeld dat het gedrag van vloeistoffen kan verklaren.

Een vloeistof wordt "afgeschoven" wanneer verschillende lagen van de vloeistof langs elkaar bewegen. Afschuifsnelheid beschrijft deze snelheid. Een meer technische definitie is dat de afschuifsnelheid de stroomsnelheidsgradiënt is loodrecht of haaks op de stroomrichting. Het vormt een belasting voor de vloeistof die bindingen tussen deeltjes in het materiaal kan verbreken, en daarom wordt het beschreven als een 'afschuifkracht'.

Wanneer je de parallelle beweging van een plaat of een laag van een materiaal waarneemt die zich boven een andere plaat of laag bevindt, toch kun je de afschuifsnelheid bepalen uit de snelheid van deze laag met betrekking tot de afstand tussen de twee lagen. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken de formule

Hiermee kunt u de afschuifsnelheid berekenen als een functie van de beweging van de lagen zelf als u ervan uitgaat dat de bovenste plaat of laag evenwijdig aan de bodem beweegt. De afschuifsnelheidseenheden zijn over het algemeen s^-1 voor verschillende doeleinden.

Als u een vloeistof zoals lotion op uw huid drukt, wordt de beweging van de vloeistof evenwijdig aan uw huid en wordt de beweging die de vloeistof rechtstreeks op de huid drukt, tegengewerkt. De vorm van de vloeistof ten opzichte van uw huid beïnvloedt hoe de deeltjes van de lotion uiteenvallen wanneer ze worden aangebracht.

U kunt ook de afschuifsnelheid relaterenγaan de schuifspanningτ("tau") tot viscositeit, de weerstand van een vloeistof tegen stroming,η("eta") door

​ikn welkeτis dezelfde eenheid als druk (N/m² of pascal Pa) enηin eenheden van(N/m² en). Deviscositeit:geeft je een andere manier om de beweging van de vloeistof te beschrijven en een schuifspanning te berekenen die uniek is voor de substantie van de vloeistof zelf.

Met deze formule voor afschuifsnelheid kunnen wetenschappers en ingenieurs de intrinsieke aard van pure spanning bepalen voor de materialen die ze gebruiken bij het bestuderen van de biofysica van mechanismen zoals de elektronentransportketen en chemische mechanismen zoals polymer flooding.

Meer gecompliceerde voorbeelden van de afschuifsnelheidsformule relateren de afschuifsnelheid aan andere eigenschappen van vloeistoffen zoals stroomsnelheid, porositeit, permeabiliteit en adsorptie. Hiermee kunt u de afschuifsnelheid gebruiken in gecompliceerdebiologische mechanismen, zoals de productie van biopolymeren en andere polysachariden.

Deze vergelijkingen worden geproduceerd door theoretische berekeningen van de eigenschappen van de fysieke verschijnselen zelf, evenals door te testen welke soorten vergelijkingen voor vorm, beweging en vergelijkbare eigenschappen het beste overeenkomen met de waarnemingen van vloeistof dynamiek. Gebruik ze om vloeiende bewegingen te beschrijven.

Een voorbeeld, deBlake-Kozeny/Cannellacorrelatie, toonde aan dat je de afschuifsnelheid kunt berekenen uit het gemiddelde van een porieschaalstroomsimulatie terwijl je de "C-factor", een factor die verklaart hoe de vloeistofeigenschappen van porositeit, permeabiliteit, vloeistofreologie en andere waarden variëren. Deze bevinding kwam tot stand door de C-factor aan te passen binnen een reeks aanvaardbare hoeveelheden die experimentele resultaten hadden laten zien.

De algemene vorm van de vergelijkingen voor het berekenen van de afschuifsnelheid blijft relatief hetzelfde. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken de snelheid van de bewegende laag gedeeld door de afstand tussen de lagen bij het bedenken van vergelijkingen van de afschuifsnelheid.

Er bestaan ​​meer geavanceerde en genuanceerde formules voor het testen van de afschuifsnelheid en viscositeit van verschillende vloeistoffen voor verschillende, specifieke scenario's. Het vergelijken van afschuifsnelheid vs. viscositeit voor deze gevallen kan u laten zien wanneer de ene nuttiger is dan de andere. Door zelf schroeven te ontwerpen die ruimtekanalen gebruiken tussen metalen spiraalachtige secties, kunnen ze gemakkelijk passen in ontwerpen waarvoor ze bedoeld zijn.

Het proces vanextrusie, een methode om een ​​product te maken door een materiaal door openingen in stalen schijven te dwingen om een ​​vorm te vormen, stelt u in staat specifieke ontwerpen te maken van metalen, plastic en zelfs voedsel zoals pasta of ontbijtgranen. Dit heeft toepassingen bij het maken van farmaceutische producten zoals suspensies en specifieke medicijnen. Het extrusieproces toont ook het verschil aan tussen afschuifsnelheid en viscositeit.

Met de vergelijking

voor schroefdiameter:Din mm, schroefsnelheidneein omwentelingen per minuut (rpm) en kanaaldieptehin mm kunt u de afschuifsnelheid berekenen voor extrusie van een schroefkanaal. Deze vergelijking lijkt sterk op de oorspronkelijke formule voor afschuifsnelheid (γ = V/x)bij het delen van de snelheid van de bewegende laag door de afstand tussen de twee lagen. Dit geeft je ook een rpm-to-shear-snelheidscalculator die rekening houdt met omwentelingen per minuut van verschillende processen.

Ingenieurs gebruiken tijdens dit proces de afschuifsnelheid tussen de schroef en de loopwand. Daarentegen is de afschuifsnelheid als de schroef de stalen schijf penetreert:

met de volumestroomVraagen gatradiusR, die nog steeds gelijkenis vertoont met de oorspronkelijke formule voor afschuifsnelheid.

Jij berekentVraagdoor de drukval over het kanaal te verdelenPdoor de polymeerviscositeitη, vergelijkbaar met de oorspronkelijke vergelijking voor schuifspanningτ.Deze specifieke voorbeelden geven u een andere methode om de afschuifsnelheid versus de afschuifsnelheid te vergelijken. viscositeit, en door deze methoden om de verschillen in de beweging van vloeistoffen te kwantificeren, kun je de dynamiek van deze verschijnselen beter begrijpen.

Afgezien van het bestuderen van de fysische en chemische verschijnselen van vloeistoffen zelf, worden de afschuifsnelheid en viscositeit gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen in de natuurkunde en techniek. Newtoniaanse vloeistoffen die een constante viscositeit hebben wanneer temperatuur en druk constant zijn, omdat er in die scenario's geen chemische reacties van faseveranderingen plaatsvinden.

De meeste voorbeelden van vloeistoffen in de echte wereld zijn echter niet zo eenvoudig. U kunt viscositeiten van niet-Newtoniaanse vloeistoffen berekenen, aangezien deze afhankelijk zijn van de afschuifsnelheid. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken meestal reometers bij het meten van de afschuifsnelheid en gerelateerde factoren, evenals bij het uitvoeren van de afschuiving zelf.

Naarmate u de vorm van verschillende vloeistoffen verandert en hoe ze zijn gerangschikt ten opzichte van de andere vloeistoflagen, kan de viscositeit aanzienlijk variëren. Soms verwijzen wetenschappers en ingenieurs naar de "schijnbare viscositeit:" met behulp van de variabeleAals dit type viscositeit. Onderzoek in de biofysica heeft aangetoond dat de schijnbare viscositeit van bloed snel toeneemt wanneer de afschuifsnelheid onder 200 s. daalt^-1.

Voor systemen die vloeistoffen verpompen, mengen en transporteren, geeft de schijnbare viscositeit naast de afschuifsnelheden: ingenieurs een manier om producten te vervaardigen in de farmaceutische industrie en de productie van zalven en crèmes.

Deze producten maken gebruik van het niet-Newtoniaanse gedrag van deze vloeistoffen waardoor de viscositeit afneemt als je zalf of crème op je huid smeert. Wanneer je stopt met wrijven stopt ook het afschuiven van de vloeistof waardoor de viscositeit van het product toeneemt en het materiaal bezinkt.