Å spinne en skje i en kopp te for å blande den, kan vise deg hvor relevant det er å forstå væskedynamikken i hverdagen. Å bruke fysikk for å beskrive flyt og oppførsel av væsker kan vise deg de intrikate og kompliserte kreftene som går inn i en så enkel oppgave som å røre en kopp te. Skjærhastigheten er et eksempel som kan forklare oppførselen til væsker.
Skjærhastighetsformel
En væske "skjæres" når forskjellige lag av væsken beveger seg forbi hverandre. Skjærhastighet beskriver denne hastigheten. En mer teknisk definisjon er at skjærhastigheten er strømningshastighetsgradienten vinkelrett, eller i rett vinkel, til strømningsretningen. Det utgjør en belastning på væsken som kan bryte bånd mellom partikler i materialet, og det er derfor den blir beskrevet som en "skjær".
Når du observerer den parallelle bevegelsen til en plate eller et lag av et materiale som er over en annen plate eller et lag som er fremdeles kan du bestemme skjærhastigheten fra hastigheten til dette laget i forhold til avstanden mellom de to lag. Forskere og ingeniører bruker formelen
γ = V / xfor skjærhastighetγ("gamma") i enheter av s-1, hastigheten på det bevegelige lagetVog avstand mellom lagenemi meter.Dette lar deg beregne skjærhastighet som en funksjon av selve lagets bevegelse hvis du antar at topplaten eller laget beveger seg parallelt med bunnen. Skjærhastighetsenhetene er generelt s-1 for forskjellige formål.
Skjærspenning
Ved å presse en væske som krem på huden din blir væskens bevegelse parallell med huden din og motarbeider bevegelsen som presser væsken direkte på huden. Væskens form i forhold til huden din påvirker hvordan partiklene i lotionen brytes opp når de påføres.
Du kan også relatere skjærhastighetγtil skjærspenningenτ("tau") til viskositet, en væskes motstand mot strømning,η("eta") gjennom
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
Jegn somτer de samme enhetene som trykk (N / m2 eller pascal Pa) ogηi enheter av(N / m2 s). Deviskositetgir deg en annen måte å beskrive væskens bevegelse og beregne en skjærspenning som er unik for selve væsken.
Denne skjærhastighetsformelen lar forskere og ingeniører bestemme den iboende naturen til ren belastning for materialene de bruker i å studere biofysikken til mekanismer som elektrontransportkjeden og kjemiske mekanismer som polymerflom.
Andre skjærhastighetsformler
Mer kompliserte eksempler på skjærhastighetsformelen relaterer skjærhastighet til andre egenskaper av væsker som strømningshastighet, porøsitet, permeabilitet og adsorpsjon. Dette lar deg bruke skjærhastighet i komplisertbiologiske mekanismer, slik som produksjon av biopolymerer og andre polysakkarider.
Disse ligningene produseres gjennom teoretiske beregninger av egenskapene til de fysiske fenomenene i seg selv, så vel som gjennom å teste hvilke typer ligninger for form, bevegelse og lignende egenskaper som best samsvarer med observasjonene av væske dynamikk. Bruk dem til å beskrive flytende bevegelse.
C-faktor i skjærhastighet
Et eksempel, denBlake-Kozeny / Cannellakorrelasjon, viste at du kan beregne skjærhastighet fra gjennomsnittet av en poreskala flyt simulering mens du justerer "C-faktor", en faktor som redegjør for hvordan væskeegenskapene til porøsitet, permeabilitet, væskereologi og andre verdier variere. Dette funnet oppstod ved å justere C-faktoren innenfor en rekke akseptable mengder som eksperimentelle resultater hadde vist.
Den generelle formen for ligningene for å beregne skjærhastighet forblir relativt den samme. Forskere og ingeniører bruker lagets hastighet i bevegelse delt på avstanden mellom lagene når de kommer opp med skjærhastighetslikninger.
Skjærhastighet vs. Viskositet
Mer avanserte og nyanserte formler eksisterer for å teste skjærhastigheten og viskositeten til forskjellige væsker for forskjellige, spesifikke scenarier. Sammenligning av skjærhastighet vs. viskositet for disse tilfellene kan vise deg når den ene er mer nyttig enn den andre. Ved å designe skruer som bruker mellomromskanaler mellom metalliske spirallignende seksjoner, kan de lett passe inn i design de er ment for.
Prosessen avekstrudering, en metode for å lage et produkt ved å tvinge et materiale gjennom åpninger i stålplater for å danne en form, kan la deg lage spesifikke design av metaller, plast og til og med matvarer som pasta eller frokostblandinger. Dette har applikasjoner for å lage farmasøytiske produkter som suspensjoner og spesifikke medisiner. Prosessen med ekstrudering viser også forskjellen mellom skjærhastighet og viskositet.
Med ligningen
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
for skruediameterDi mm, skruehastighetNi omdreininger per minutt (o / min) og kanaldybdehi mm kan du beregne skjærhastigheten for ekstrudering av en skruekanal. Denne ligningen er sterkt lik den opprinnelige skjærhastighetsformelen (γ = V / x)ved å dele hastigheten til det bevegelige laget med avstanden mellom de to lagene. Dette gir deg også en rpm for kuttkalkulator som tar høyde for omdreininger per minutt av forskjellige prosesser.
Skjærhastighet når du lager skruer
Ingeniører bruker skjærhastigheten mellom skruen og fatveggen under denne prosessen. I motsetning er skjærhastigheten når skruen trenger inn i stålplaten
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
med volumstrømmenSpørsmålog hullradiusR, som fremdeles ligner den opprinnelige skjærhastighetsformelen.
Du beregnerSpørsmålved å dele trykkfallet over kanalenAPav polymerviskositetenη, lik den opprinnelige ligningen for skjærspenningτ.Disse spesifikke eksemplene gir deg en annen metode for å sammenligne skjærhastighet vs. viskositet, og gjennom disse metodene for å kvantifisere forskjellene i væskens bevegelse, kan du forstå dynamikken i disse fenomenene bedre.
Skjærhastighets- og viskositetsapplikasjoner
Annet enn å studere de fysiske og kjemiske fenomenene i selve væsker, har skjærhastighet og viskositet bruksområder i en rekke applikasjoner på tvers av fysikk og ingeniørfag. Newtonske væsker som har konstant viskositet når temperatur og trykk er konstante fordi det ikke er noen kjemiske reaksjoner av faseendringer som forekommer i disse scenariene.
De fleste eksempler på væske i den virkelige verden er imidlertid ikke så enkle. Du kan beregne viskositeter av ikke-newtonske væsker, ettersom de avhenger av skjærhastighet. Forskere og ingeniører bruker vanligvis reometre til å måle skjærhastighet og relaterte faktorer, så vel som å utføre skjæringen selv.
Når du endrer formen på forskjellige væsker, og hvordan de er ordnet i forhold til de andre væskelagene, kan viskositeten variere betydelig. Noen ganger refererer forskere og ingeniører til "tilsynelatende viskositet"bruker variabelenηAsom denne typen viskositet. Forskning innen biofysikk har vist at tilsynelatende viskositet av blod øker raskt når skjærhastigheten faller under 200 s-1.
For systemer som pumper, blander og transporterer væsker, gir den tilsynelatende viskositeten sammen med skjærhastighetene ingeniører en måte å produsere produkter i farmasøytisk industri og produksjon av salver og kremer.
Disse produktene utnytter den ikke-newtonske oppførselen til disse væskene, slik at viskositeten synker når du gni salve eller krem på huden din. Når du slutter å gni, stopper også klipping av væsken slik at produktets viskositet øker og materialet legger seg.