Como calcular a taxa de cisalhamento

Girar uma colher em uma xícara de chá para misturar pode mostrar como é pertinente entender a dinâmica dos fluidos na vida cotidiana. Usar a física para descrever o fluxo e o comportamento dos líquidos pode mostrar as forças intrincadas e complicadas que envolvem uma tarefa tão simples como mexer uma xícara de chá. A taxa de cisalhamento é um exemplo que pode explicar o comportamento dos fluidos.

Um fluido é "cortado" quando diferentes camadas do fluido se movem umas sobre as outras. A taxa de cisalhamento descreve essa velocidade. Uma definição mais técnica é que a taxa de cisalhamento é o gradiente da velocidade do fluxo perpendicular, ou em um ângulo reto, à direção do fluxo. Ele impõe uma pressão sobre o líquido que pode quebrar as ligações entre as partículas de seu material, razão pela qual é descrito como um "cisalhamento".

Quando você observa o movimento paralelo de uma placa ou uma camada de um material que está acima de outra placa ou camada que está ainda assim, você pode determinar a taxa de cisalhamento a partir da velocidade desta camada em relação à distância entre os dois camadas. Cientistas e engenheiros usam a fórmula

Isso permite calcular a taxa de cisalhamento como uma função do movimento das próprias camadas, se você assumir que a placa ou camada superior se move paralelamente à parte inferior. As unidades de taxa de cisalhamento são geralmente s^-1 para finalidades diferentes.

Pressionar um fluido como uma loção na pele torna o movimento do fluido paralelo à pele e se opõe ao movimento que pressiona o fluido diretamente sobre a pele. O formato do líquido em relação à pele afeta como as partículas da loção se quebram à medida que são aplicadas.

Você também pode relacionar a taxa de cisalhamentoγà tensão de cisalhamentoτ("tau") à viscosidade, a resistência de um fluido ao fluxo,η("eta") por meio de

​eun qualτsão as mesmas unidades da pressão (N / m² ou pascal Pa) eηem unidades de(N / m² s). Oviscosidadeoferece outra maneira de descrever o movimento do fluido e calcular uma tensão de cisalhamento que é exclusiva da substância do próprio fluido.

Esta fórmula de taxa de cisalhamento permite que cientistas e engenheiros determinem a natureza intrínseca da tensão total aos materiais que usam no estudo da biofísica de mecanismos como a cadeia de transporte de elétrons e mecanismos químicos como a inundação de polímeros.

Exemplos mais complicados da fórmula da taxa de cisalhamento relacionam a taxa de cisalhamento a outras propriedades de líquidos, como velocidade de fluxo, porosidade, permeabilidade e adsorção. Isso permite que você use a taxa de cisalhamento emmecanismos biológicos, como a produção de biopolímeros e outros polissacarídeos.

Essas equações são produzidas por meio de cálculos teóricos das propriedades dos próprios fenômenos físicos, bem como através do teste de quais tipos de equações para forma, movimento e propriedades semelhantes que melhor correspondem às observações de fluido dinâmica. Use-os para descrever o movimento fluido.

Um exemplo, oBlake-Kozeny / Cannellacorrelação, mostrou que você pode calcular a taxa de cisalhamento a partir da média de uma simulação de fluxo em escala de poro enquanto ajusta o "Fator C", um fator que explica como as propriedades do fluido de porosidade, permeabilidade, reologia do fluido e outros valores variar. Essa descoberta surgiu através do ajuste do fator C dentro de uma faixa de quantidades aceitáveis ​​que os resultados experimentais haviam mostrado.

A forma geral das equações para calcular a taxa de cisalhamento permanece relativamente a mesma. Cientistas e engenheiros usam a velocidade da camada em movimento dividida pela distância entre as camadas ao chegar às equações da taxa de cisalhamento.

Existem fórmulas mais avançadas e diferenciadas para testar a taxa de cisalhamento e a viscosidade de vários fluidos para diferentes cenários específicos. Comparando a taxa de cisalhamento vs. a viscosidade para esses casos pode mostrar quando um é mais útil do que o outro. Projetar os próprios parafusos que usam canais de espaço entre as seções metálicas em forma de espiral pode permitir que eles se encaixem facilmente nos designs para os quais foram feitos.

O processo deextrusão, um método de fazer um produto forçando um material através de aberturas em discos de aço para formar uma forma, pode permitir que você faça designs específicos de metais, plásticos e até mesmo alimentos como massas ou cereais. Isso tem aplicações na criação de produtos farmacêuticos como suspensões e medicamentos específicos. O processo de extrusão também demonstra a diferença entre a taxa de cisalhamento e a viscosidade.

Com a equação

para o diâmetro do parafusoDem mm, velocidade do parafusoNem revoluções por minuto (rpm) e profundidade do canalhem mm, você pode calcular a taxa de cisalhamento para extrusão de um canal de parafuso. Esta equação é totalmente semelhante à fórmula original da taxa de cisalhamento (γ = V / x)em dividir a velocidade da camada móvel pela distância entre as duas camadas. Isso também fornece uma calculadora de rpm para a taxa de cisalhamento que contabiliza as revoluções por minuto de diferentes processos.

Os engenheiros usam a taxa de cisalhamento entre o parafuso e a parede do cilindro durante este processo. Em contraste, a taxa de cisalhamento conforme o parafuso penetra no disco de aço é

com o fluxo volumétricoQe raio do buracoR, que ainda guarda semelhanças com a fórmula original da taxa de cisalhamento.

Você calculaQdividindo a queda de pressão no canalΔPpela viscosidade do polímeroη, semelhante à equação original para tensão de cisalhamentoτ.Este exemplo específico fornece outro método de comparação da taxa de cisalhamento vs. viscosidade e, por meio desses métodos de quantificar as diferenças no movimento dos fluidos, você pode entender melhor a dinâmica desses fenômenos.

Além de estudar os fenômenos físicos e químicos dos próprios fluidos, a taxa de cisalhamento e a viscosidade têm aplicações em uma variedade de aplicações em física e engenharia. Líquidos newtonianos que possuem viscosidade constante quando a temperatura e a pressão são constantes, pois não há reações químicas de mudanças de fase ocorrendo nesses cenários.

A maioria dos exemplos do mundo real de fluidos não são tão simples, no entanto. Você pode calcular as viscosidades de fluidos não newtonianos, pois eles dependem da taxa de cisalhamento. Cientistas e engenheiros normalmente usam reômetros para medir a taxa de cisalhamento e fatores relacionados, bem como realizar o cisalhamento em si.

Conforme você muda a forma de diferentes fluidos e como eles estão dispostos em relação às outras camadas de fluidos, a viscosidade pode variar significativamente. Às vezes, cientistas e engenheiros se referem ao "viscosidade aparente"usando a variávelηAcomo este tipo de viscosidade. A pesquisa em biofísica mostrou que a viscosidade aparente do sangue aumenta rapidamente quando a taxa de cisalhamento cai abaixo de 200 s^-1.

Para sistemas que bombeiam, misturam e transportam fluidos, a viscosidade aparente ao lado das taxas de cisalhamento dá engenheiros uma maneira de fabricar produtos na indústria farmacêutica e a produção de pomadas e cremes.

Esses produtos aproveitam o comportamento não newtoniano desses fluidos, de forma que a viscosidade diminui quando você passa uma pomada ou creme na pele. Quando você para de esfregar, o cisalhamento do líquido também para, de modo que a viscosidade do produto aumenta e o material se assenta.