Roztočenie lyžice v šálke čaju na zamiešanie vám ukáže, aké dôležité je pochopiť dynamiku tekutín v každodennom živote. Pomocou fyziky na opísanie toku a správania tekutín vám môžeme ukázať zložité a komplikované sily, ktoré idú do tak jednoduchej úlohy, ako je miešanie šálky čaju. Šmyková rýchlosť je jedným príkladom, ktorý môže vysvetliť správanie tekutín.
Vzorec šmykovej rýchlosti
Tekutina sa „strihá“, keď sa rôzne vrstvy tekutiny pohybujú okolo seba. Šmyková rýchlosť popisuje túto rýchlosť. Technickejšou definíciou je, že šmyková rýchlosť je gradient rýchlosti prúdenia kolmý alebo v pravom uhle k smeru prúdenia. Predstavuje napätie pre kvapalinu, ktoré môže narušiť väzby medzi časticami v jej materiáli, a preto sa označuje ako „strih“.
Keď sledujete paralelný pohyb platne alebo vrstvy materiálu, ktorá je nad inou platňou alebo vrstvou, ktorá je stále môžete určiť šmykovú rýchlosť z rýchlosti tejto vrstvy vzhľadom na vzdialenosť medzi nimi vrstiev. Vedci a inžinieri používajú vzorecγ = V / x
pre šmykovú rýchlosťγ(„gama“) v jednotkách s-1, rýchlosť pohybujúcej sa vrstvyV.a vzdialenosť medzi vrstvamimv metroch.To vám umožňuje vypočítať šmykovú rýchlosť ako funkciu pohybu samotných vrstiev, ak predpokladáte, že sa horná doska alebo vrstva pohybuje rovnobežne so spodnou časťou. Jednotky šmykovej rýchlosti sú všeobecne s-1 na rôzne účely.
Šmykové napätie
Stlačením tekutiny, ako napríklad pleťovej vody, sa pokožka uvedie do pohybu rovnobežne s pokožkou a postaví sa proti pohybu, ktorý tlačí tekutinu priamo na pokožku. Tvar kvapaliny vzhľadom na vašu pokožku ovplyvňuje to, ako sa častice pleťovej vody počas nanášania rozpadajú.
Môžete tiež dať do súvislosti šmykovú rýchlosťγna šmykové napätieτ(„tau“) k viskozite, odolnosti kvapaliny proti prúdeniu,η(„eta“) prostredníctvom
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in ktoréτsú rovnaké jednotky ako tlak (N / m2 alebo pascaly Pa) aηv jednotkách(N / m2 s). Theviskozitavám poskytuje iný spôsob popísania pohybu tekutiny a výpočtu šmykového napätia, ktoré je vlastné látke samotnej.
Tento vzorec strihovej rýchlosti umožňuje vedcom a inžinierom určiť prirodzenú povahu úplného stresu pre materiály, ktoré používajú pri štúdiu biofyziky mechanizmov, ako je reťazec transportu elektrónov, a chemických mechanizmov, ako je zahlcovanie polymérov.
Ostatné vzorce šmykovej rýchlosti
Komplikovanejšie príklady vzorca šmykovej rýchlosti sa týkajú šmykovej rýchlosti s inými vlastnosťami kvapalín, ako sú rýchlosť prúdenia, pórovitosť, permeabilita a adsorpcia. Toto vám umožní zložito používať šmykovú rýchlosťbiologické mechanizmy, ako je výroba biopolymérov a iných polysacharidov.
Tieto rovnice sa vytvárajú teoretickými výpočtami vlastností samotných fyzikálnych javov a tiež prostredníctvom testovania, ktoré typy rovníc pre tvar, pohyb a podobné vlastnosti sa najlepšie zhodujú s pozorovaniami kvapaliny dynamika. Pomocou nich opíšeme pohyb tekutín.
C-faktor v šmykovej rýchlosti
Jedným z príkladov jeBlake-Kozeny / Cannellakorelácia ukázala, že šmykovú rýchlosť môžete vypočítať z priemeru simulácie toku v mierke pórov pri úprave hodnoty „C-faktor“, faktor, ktorý zohľadňuje vlastnosti pórovitosti, priepustnosti, reológie tekutín a ďalšie hodnoty kvapaliny líšiť sa. Toto zistenie prišlo úpravou C-faktora v rozmedzí prijateľných množstiev, ktoré ukázali experimentálne výsledky.
Všeobecná forma rovníc na výpočet šmykovej rýchlosti zostáva relatívne rovnaká. Vedci a inžinieri používajú pri vymýšľaní rovníc šmykovej rýchlosti rýchlosť vrstvy v pohybe vydelenú vzdialenosťou medzi vrstvami.
Šmyková rýchlosť vs. Viskozita
Na testovanie šmykovej rýchlosti a viskozity rôznych tekutín pre rôzne konkrétne scenáre existujú pokročilejšie a podrobnejšie vzorce. Porovnanie šmykovej rýchlosti vs. viskozita pre tieto prípady vám môže ukázať, kedy je jeden užitočnejší ako druhý. Samotné navrhovanie skrutiek, ktoré využívajú priestorové kanály medzi kovovými špirálovitými časťami, im umožňuje ľahké zapadnutie do návrhov, pre ktoré sú určené.
Procesvytláčanie, metóda výroby produktu pretláčaním materiálu cez otvory v oceľových diskoch na vytvorenie tvaru, vám umožní vytvoriť špecifické vzory kovov, plastov a dokonca aj potravín, ako sú cestoviny alebo obilniny. Má uplatnenie pri vytváraní farmaceutických výrobkov, ako sú suspenzie a konkrétne lieky. Proces extrúzie tiež demonštruje rozdiel medzi šmykovou rýchlosťou a viskozitou.
S rovnicou
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
pre priemer skrutkyDv mm, rýchlosť skrutkovaniaNv otáčkach za minútu (ot / min) a hĺbke kanálahv mm, môžete vypočítať šmykovú rýchlosť pre vytláčanie skrutkového kanálu. Táto rovnica je úplne podobná pôvodnému vzorcu šmykovej rýchlosti (γ = V / x)pri vydelení rýchlosti pohyblivej vrstvy vzdialenosťou medzi dvoma vrstvami. Takto získate aj kalkulačku rýchlosti otáčok za minútu, ktorá zohľadňuje otáčky rôznych procesov za minútu.
Šmyková rýchlosť pri výrobe skrutiek
Počas tohto procesu používajú inžinieri šmykovú rýchlosť medzi skrutkou a stenou hlavne. Naproti tomu šmyková rýchlosť, keď skrutka preniká cez oceľový disk, je
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
s objemovým prietokomQa polomer dieryR, ktorá sa stále podobá pôvodnému vzorcu šmykovej rýchlosti.
VypočítateQvydelením tlakovej straty cez kanálAPviskozitou polyméruη, podobne ako pôvodná rovnica pre šmykové napätieτ.Tento konkrétny príklad poskytuje inú metódu porovnania šmykovej rýchlosti vs. viskozita a pomocou týchto metód kvantifikácie rozdielov v pohybe tekutín môžete lepšie pochopiť dynamiku týchto javov.
Aplikácia šmykovej rýchlosti a viskozity
Okrem študovania fyzikálnych a chemických javov samotných tekutín má šmyková rýchlosť a viskozita využitie v rôznych aplikáciách naprieč fyzikou a inžinierstvom. Newtonovské kvapaliny, ktoré majú konštantnú viskozitu, keď sú teplota a tlak konštantné, pretože v týchto scenároch nedochádza k chemickým reakciám na fázové zmeny.
Väčšina príkladov tekutín v reálnom svete však nie je taká jednoduchá. Môžete vypočítať viskozity nenewtonovských kvapalín, pretože závisia od šmykovej rýchlosti. Vedci a inžinieri zvyčajne používajú reometre na meranie šmykovej rýchlosti a súvisiacich faktorov, ako aj na samotné šmykové namáhanie.
Keď zmeníte tvar rôznych tekutín a spôsob ich usporiadania vzhľadom na ostatné vrstvy tekutín, viskozita sa môže výrazne líšiť. Vedci a inžinieri niekedy odkazujú na „zdanlivá viskozita"pomocou premennejηAako tento typ viskozity. Výskum v biofyzike ukázal, že zjavná viskozita krvi sa rýchlo zvyšuje, keď strihová rýchlosť klesne pod 200 s-1.
Pre systémy, ktoré čerpajú, miešajú a prepravujú kvapaliny, je zrejmá viskozita popri strihových rýchlostiach inžinieri spôsob výroby výrobkov vo farmaceutickom priemysle a výrobu masti a krémy.
Tieto výrobky využívajú iné ako newtonovské správanie týchto tekutín, takže viskozita klesá, keď si masťou alebo krémom natriete pokožku. Keď prestanete trieť, zastaví sa aj strihanie kvapaliny, takže sa zvýši viskozita produktu a materiál sa usadí.