Învârtirea unei linguri într-o ceașcă de ceai pentru a-l amesteca vă poate arăta cât de pertinent este să înțelegeți dinamica fluidelor din viața de zi cu zi. Utilizarea fizicii pentru a descrie fluxul și comportamentul lichidelor vă poate arăta forțele complicate și complicate care intră într-o sarcină atât de simplă, cum ar fi amestecarea unei cani de ceai. Rata de forfecare este un exemplu care poate explica comportamentul fluidelor.
Formula de forfecare
Un fluid este „forfecat” atunci când diferite straturi ale fluidului se deplasează unul peste altul. Rata de forfecare descrie această viteză. O definiție mai tehnică este că viteza de forfecare este gradientul vitezei de curgere perpendiculare, sau în unghi drept, cu direcția de curgere. Acesta prezintă o tensiune asupra lichidului care poate rupe legăturile dintre particulele din materialul său, motiv pentru care este descris ca o „forfecare”.
Când observați mișcarea paralelă a unei plăci sau a unui strat de material aflat deasupra unei alte plăci sau a unui strat care este totuși, puteți determina rata de forfecare de la viteza acestui strat în raport cu distanța dintre cele două straturi. Oamenii de știință și inginerii folosesc formula
γ = V / xpentru viteza de forfecareγ(„gamma”) în unități de s-1, viteza stratului în mișcareVși distanța dintre straturimîn metri.Acest lucru vă permite să calculați viteza de forfecare în funcție de mișcarea straturilor în sine, dacă presupuneți că placa superioară sau stratul se deplasează paralel cu partea inferioară. Unitățile de viteză de forfecare sunt în general s-1 în scopuri diferite.
Stres de forfecare
Apăsarea unui fluid, cum ar fi loțiunea pe piele, face mișcarea fluidului paralelă cu pielea și se opune mișcării care presează fluidul direct pe piele. Forma lichidului în raport cu pielea dvs. afectează modul în care particulele loțiunii se separă pe măsură ce sunt aplicate.
De asemenea, puteți raporta viteza de forfecareγla stresul de forfecareτ("tau") la vâscozitate, rezistența fluidului la curgere,η("eta") prin
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
eun careτeste aceleași unități ca presiunea (N / m2 sau pascale Pa) șiηîn unități de(N / m2 s).viscozitatevă oferă un alt mod de a descrie mișcarea fluidului și de a calcula un efort de forfecare unic pentru substanța fluidului în sine.
Această formulă de forfecare permite oamenilor de știință și inginerilor să determine natura intrinsecă a stresului pur asupra materialelor pe care le folosesc în studierea biofizicii mecanismelor precum lanțul de transport al electronilor și a mecanismelor chimice precum inundarea polimerilor.
Alte formule de forfecare
Exemple mai complicate ale formulei vitezei de forfecare raportează viteza de forfecare la alte proprietăți ale lichidelor, cum ar fi viteza de curgere, porozitatea, permeabilitatea și adsorbția. Acest lucru vă permite să utilizați viteza de forfecare în situații complicatemecanisme biologice, cum ar fi producerea de biopolimeri și alte polizaharide.
Aceste ecuații sunt produse prin calcule teoretice ale proprietăților fenomenelor fizice în sine, precum și prin testarea tipurilor de ecuații pentru formă, mișcare și proprietăți similare care se potrivesc cel mai bine observațiilor fluidului dinamica. Folosiți-le pentru a descrie mișcarea fluidului.
Factorul C în rata de forfecare
Un exemplu,Blake-Kozeny / Cannella, a arătat că puteți calcula viteza de forfecare din media unei simulații a fluxului la scară de pori în timp ce reglați „Factorul C”, un factor care explică modul în care proprietățile fluidului de porozitate, permeabilitate, reologia fluidelor și alte valori varia. Această constatare a apărut prin ajustarea factorului C într-un interval de cantități acceptabile pe care rezultatele experimentale le-au arătat.
Forma generală a ecuațiilor pentru calcularea ratei de forfecare rămâne relativ aceeași. Oamenii de știință și inginerii folosesc viteza stratului în mișcare împărțit la distanța dintre straturi atunci când vin cu ecuații ale vitezei de forfecare.
Rata de forfecare vs. Viscozitate
Există formule mai avansate și nuanțate pentru testarea vitezei de forfecare și a vâscozității diferitelor fluide pentru diferite scenarii specifice. Compararea ratei de forfecare vs. vâscozitatea pentru aceste cazuri vă poate arăta când unul este mai util decât celălalt. Proiectarea în sine a șuruburilor care utilizează canale de spațiu între secțiuni metalice în formă de spirală le poate permite să se încadreze cu ușurință în modele pentru care sunt destinate.
Procesul deextrudare, o metodă de fabricare a unui produs prin forțarea unui material prin deschideri în discurile de oțel pentru a forma o formă, vă poate permite să realizați modele specifice de metale, materiale plastice și chiar alimente precum paste sau cereale. Acest lucru are aplicații în crearea produselor farmaceutice, cum ar fi suspensiile și medicamentele specifice. Procesul de extrudare demonstrează, de asemenea, diferența dintre viteza de forfecare și vâscozitatea.
Cu ecuația
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
pentru diametrul șurubuluiDîn mm, viteza șurubuluiNîn rotații pe minut (rpm) și adâncimea canaluluihîn mm, puteți calcula viteza de forfecare pentru extrudarea unui canal cu șurub. Această ecuație este extrem de similară cu formula inițială a ratei de forfecare (γ = V / x)în împărțirea vitezei stratului în mișcare la distanța dintre cele două straturi. Acest lucru vă oferă, de asemenea, un calculator rpm pentru viteza de forfecare, care contabilizează rotațiile pe minut ale diferitelor procese.
Rata de forfecare la realizarea șuruburilor
Inginerii folosesc viteza de forfecare între șurub și peretele cilindrului în timpul acestui proces. În schimb, viteza de forfecare pe măsură ce șurubul pătrunde pe discul de oțel este
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
cu debitul volumetricÎși raza orificiuluiR, care încă seamănă cu formula inițială a ratei de forfecare.
Tu calculeziÎprin împărțirea căderii de presiune pe canalΔPprin vâscozitatea polimeruluiη, similar cu ecuația inițială pentru tensiunea de forfecareτ.Acest exemplu specific vă oferă o altă metodă de comparare a vitezei de forfecare vs. prin aceste metode de cuantificare a diferențelor în mișcarea fluidelor, puteți înțelege mai bine dinamica acestor fenomene.
Aplicații de forfecare și viscozitate
În afară de studierea fenomenelor fizice și chimice ale fluidelor în sine, viteza de forfecare și vâscozitatea au utilizări într-o varietate de aplicații în fizică și inginerie. Lichidele newtoniene care au o vâscozitate constantă atunci când temperatura și presiunea sunt constante, deoarece nu există reacții chimice ale modificărilor de fază care apar în aceste scenarii.
Majoritatea exemplelor din lumea reală a fluidelor nu sunt însă atât de simple. Puteți calcula vâscozitățile fluidelor non-newtoniene, deoarece acestea depind de viteza de forfecare. Oamenii de știință și inginerii folosesc de obicei reometrele pentru măsurarea vitezei de forfecare și a factorilor asociați, precum și pentru efectuarea forfecării în sine.
Pe măsură ce modificați forma diferitelor fluide și modul în care acestea sunt aranjate în raport cu celelalte straturi de fluide, vâscozitatea poate varia semnificativ. Uneori oamenii de știință și inginerii se referă la „vâscozitate aparentă"folosind variabilaηAca acest tip de vâscozitate. Cercetările în biofizică au arătat că vâscozitatea aparentă a sângelui crește rapid atunci când viteza de forfecare scade sub 200 s-1.
Pentru sistemele care pompează, amestecă și transportă fluide, vâscozitatea aparentă alături de ratele de forfecare dă inginerii o modalitate de fabricare a produselor în industria farmaceutică și producția de unguente și creme.
Aceste produse profită de comportamentul non-newtonian al acestor fluide, astfel încât vâscozitatea scade atunci când freci unguent sau cremă pe piele. Când încetați să frecați, forfecarea lichidului se oprește, astfel încât vâscozitatea produsului crește și materialul să se stabilească.