Obracanie łyżeczką w filiżance herbaty w celu jej wymieszania może pokazać, jak ważne jest zrozumienie dynamiki płynów w życiu codziennym. Wykorzystanie fizyki do opisania przepływu i zachowania cieczy może pokazać zawiłe i skomplikowane siły, które wpływają na tak proste zadanie, jak mieszanie filiżanki herbaty. Szybkość ścinania jest jednym z przykładów, który może wyjaśnić zachowanie płynów.
Formuła szybkości ścinania
Płyn jest „ścinany”, gdy różne warstwy płynu przesuwają się obok siebie. Szybkość ścinania opisuje tę prędkość. Bardziej techniczna definicja mówi, że szybkość ścinania to gradient prędkości przepływu prostopadły lub pod kątem prostym do kierunku przepływu. Stanowi obciążenie dla cieczy, które może zerwać wiązania między cząsteczkami w swoim materiale, dlatego jest określane jako „ścinanie”.
Kiedy obserwujesz równoległy ruch płyty lub warstwy materiału znajdującej się nad inną płytą lub warstwą, która jest jednak można określić szybkość ścinania na podstawie prędkości tej warstwy w odniesieniu do odległości między nimi warstwy. Naukowcy i inżynierowie stosują formułę
γ = V/xdla szybkości ścinaniaγ( „gamma”) w jednostkach s-1, prędkość poruszającej się warstwyVi odległość między warstwamimiw metrach.Pozwala to obliczyć szybkość ścinania jako funkcję ruchu samych warstw, jeśli założymy, że górna płyta lub warstwa porusza się równolegle do dolnej. Jednostki szybkości ścinania są zazwyczaj s-1 do różnych celów.
Naprężenie ścinające
Naciśnięcie płynu, takiego jak balsam, na skórę sprawia, że ruch płynu jest równoległy do skóry i przeciwstawia się ruchowi, który naciska płyn bezpośrednio na skórę. Kształt płynu w stosunku do skóry wpływa na to, jak cząsteczki balsamu rozpadają się podczas aplikacji.
Możesz również powiązać szybkość ścinaniaγna naprężenie ścinająceτ(„tau”) na lepkość, opór przepływu płynu,η("eta") przez
\gamma = \frac{\eta}{\tau}
jan który?τto te same jednostki co ciśnienie (N/m2 lub paskale Pa) iηw jednostkach(N/m2 s).lepkośćdaje inny sposób opisywania ruchu płynu i obliczania naprężenia ścinającego, które jest charakterystyczne dla samej substancji płynu.
Ta formuła szybkości ścinania pozwala naukowcom i inżynierom określić wewnętrzną naturę naprężeń występujących w materiałach, z których korzystają w badaniu biofizyki mechanizmów, takich jak łańcuch transportu elektronów i mechanizmów chemicznych, takich jak zalewanie polimerami.
Inne wzory szybkości ścinania
Bardziej skomplikowane przykłady wzoru na szybkość ścinania wiążą szybkość ścinania z innymi właściwościami cieczy, takimi jak prędkość przepływu, porowatość, przepuszczalność i adsorpcja. Pozwala to na użycie szybkości ścinania w skomplikowanychmechanizmy biologiczne, takich jak produkcja biopolimerów i innych polisacharydów.
Równania te są tworzone przez teoretyczne obliczenia właściwości samych zjawisk fizycznych, a także poprzez testowanie, które typy równań kształtu, ruchu i podobnych właściwości najlepiej pasują do obserwacji płynu dynamika. Użyj ich, aby opisać płynny ruch.
Współczynnik C w szybkości ścinania
Jeden przykład,Blake-Kozeny/Cannellakorelacja pokazała, że można obliczyć szybkość ścinania ze średniej symulacji przepływu w skali porów, jednocześnie dostosowując „C-factor”, czynnik, który odpowiada za właściwości płynu takie jak porowatość, przepuszczalność, reologia płynu i inne wartości różnią się. To odkrycie nastąpiło dzięki dostosowaniu współczynnika C w zakresie dopuszczalnych ilości, które wykazały wyniki eksperymentalne.
Ogólna postać równań do obliczania szybkości ścinania pozostaje względnie taka sama. Naukowcy i inżynierowie wykorzystują prędkość warstwy w ruchu podzieloną przez odległość między warstwami, gdy wymyślają równania szybkości ścinania.
Szybkość ścinania a Lepkość
Istnieją bardziej zaawansowane i zróżnicowane formuły do testowania szybkości ścinania i lepkości różnych płynów w różnych, specyficznych scenariuszach. Porównanie szybkości ścinania vs. lepkość w tych przypadkach może pokazać, kiedy jeden jest bardziej przydatny niż drugi. Samo projektowanie śrub, które wykorzystują kanały przestrzeni między metalowymi sekcjami podobnymi do spirali, może pozwolić im łatwo dopasować się do projektów, do których są przeznaczone.
Proceswyrzucenie, metoda wytwarzania produktu polegająca na przepychaniu materiału przez otwory w stalowych dyskach w celu uformowania kształtu, umożliwia wykonanie określonych wzorów z metali, tworzyw sztucznych, a nawet produktów spożywczych, takich jak makaron lub płatki zbożowe. Ma to zastosowanie w tworzeniu produktów farmaceutycznych, takich jak zawiesiny i określone leki. Proces wytłaczania pokazuje również różnicę między szybkością ścinania a lepkością.
Z równaniem
\gamma = \frac{\pi DN}{60h}
do średnicy śrubyrew mm, prędkość ślimakaNw obrotach na minutę (rpm) i głębokości kanałuhw mm można obliczyć szybkość ścinania przy wytłaczaniu kanału ślimakowego. To równanie jest bardzo podobne do oryginalnego wzoru na szybkość ścinania (γ = V/x)dzieląc prędkość poruszającej się warstwy przez odległość między dwiema warstwami. Daje to również kalkulator szybkości ścinania obrotów na minutę, który uwzględnia obroty na minutę różnych procesów.
Szybkość ścinania podczas wykonywania śrub
Podczas tego procesu inżynierowie wykorzystują szybkość ścinania między śrubą a ścianą beczki. Natomiast szybkość ścinania, gdy śruba wbija się w stalowy krążek, wynosi
\gamma = \frac{4Q}{\pi R^3}
z przepływem objętościowymQi promień otworuR, który nadal przypomina pierwotną formułę szybkości ścinania.
Ty kalkulujeszQdzieląc spadek ciśnienia w kanalePprzez lepkość polimeruη, podobne do oryginalnego równania na naprężenie ścinająceτ.Ten konkretny przykład przedstawia inną metodę porównywania szybkości ścinania z lepkość, a dzięki tym metodom ilościowego określania różnic w ruchu płynów można lepiej zrozumieć dynamikę tych zjawisk.
Zastosowania dotyczące szybkości ścinania i lepkości
Poza badaniem fizycznych i chemicznych zjawisk samych płynów, szybkość ścinania i lepkość mają wiele zastosowań w fizyce i inżynierii. Ciecze newtonowskie, które mają stałą lepkość, gdy temperatura i ciśnienie są stałe, ponieważ w tych scenariuszach nie zachodzą reakcje chemiczne zmian fazy.
Jednak większość rzeczywistych przykładów płynów nie jest taka prosta. Możesz obliczyć lepkości płynów nienewtonowskich, ponieważ zależą one od szybkości ścinania. Naukowcy i inżynierowie zazwyczaj używają reometrów do pomiaru szybkości ścinania i powiązanych czynników, a także do wykonywania samego ścinania.
Gdy zmieniasz kształt różnych płynów i sposób ich ułożenia w stosunku do innych warstw płynów, lepkość może się znacznie różnić. Czasami naukowcy i inżynierowie odnoszą się do „lepkość pozorna" przy użyciu zmiennejAjak ten rodzaj lepkości. Badania w dziedzinie biofizyki wykazały, że pozorna lepkość krwi szybko wzrasta, gdy szybkość ścinania spada poniżej 200 s-1.
W przypadku systemów, które pompują, mieszają i transportują płyny, lepkość pozorna wraz z szybkościami ścinania daje opracowuje sposób wytwarzania produktów w przemyśle farmaceutycznym i produkcji maści oraz kremy.
Produkty te wykorzystują nienewtonowskie zachowanie tych płynów, dzięki czemu lepkość zmniejsza się podczas wcierania maści lub kremu w skórę. Kiedy przestaniesz trzeć, ścinanie cieczy również ustaje, dzięki czemu lepkość produktu wzrasta, a materiał osadza się.