Če zavrtite žlico v skodelico čaja, da jo zmešate, lahko pokažete, kako pomembno je razumeti dinamiko tekočin v vsakdanjem življenju. Uporaba fizike za opis pretoka in vedenja tekočin vam lahko pokaže zapletene in zapletene sile, ki se vključijo v tako preprosto nalogo, kot je mešanje skodelice čaja. Hitrost striženja je en primer, ki lahko razloži obnašanje tekočin.
Formula strižne hitrosti
Tekočina se "striže", ko se različne plasti tekočine premikajo ena mimo druge. Strižna hitrost opisuje to hitrost. Bolj tehnična opredelitev je, da je strižna hitrost gradient hitrosti pretoka pravokotno ali pod pravim kotom na smer pretoka. Tekočino obremeni, ki lahko pretrga vezi med delci v njenem materialu, zato je opisana kot "strižna".
Ko opazujete vzporedno gibanje plošče ali plasti materiala, ki je nad drugo ploščo ali plastjo kljub temu lahko hitrost striženja določite iz hitrosti te plasti glede na razdaljo med njima plasti. Znanstveniki in inženirji uporabljajo formuloγ = V / xza strižno hitrostγ("gama") v enotah s-1, hitrost gibljive plastiVin razdalja med plastmimv metrih.
To vam omogoča izračun hitrosti striženja v odvisnosti od gibanja samih plasti, če domnevate, da se zgornja plošča ali plast premikata vzporedno z dnom. Enote strižne hitrosti so praviloma s-1 za različne namene.
Strižni stres
Pritisk tekočine, kot je losjon na kožo, povzroči gibanje tekočine vzporedno s kožo in nasprotuje gibanju, ki pritiska tekočino neposredno na kožo. Oblika tekočine glede na vašo kožo vpliva na to, kako se delci losjona razpadejo med nanašanjem.
Povežete lahko tudi strižno hitrostγdo strižne napetostiτ("tau") na viskoznost, odpornost tekočine na pretok,η("eta") do
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
jazn kiτenake enote kot tlak (N / m2 ali paskalov Pa) inηv enotah(N / m2 s). Theviskoznostvam daje še en način za opis gibanja tekočine in izračun strižne napetosti, ki je značilna za samo snov tekočine.
Ta formula hitrosti striženja omogoča znanstvenikom in inženirjem, da določijo notranjo naravo samega napetosti materialov, ki jih uporabljajo pri preučevanju biofizike mehanizmov, kot je veriga prenosa elektronov, in kemičnih mehanizmov, kot je poplavljanje polimerov.
Druge formule strižne hitrosti
Bolj zapleteni primeri formule strižne hitrosti povezujejo strižno hitrost z drugimi lastnostmi tekočin, kot so hitrost pretoka, poroznost, prepustnost in adsorpcija. Tako lahko zapleteno uporabljate strižno hitrostbioloških mehanizmov, kot je proizvodnja biopolimerov in drugih polisaharidov.
Te enačbe nastanejo s teoretičnimi izračuni lastnosti fizikalnih pojavov samih s preizkušanjem, katere vrste enačb za obliko, gibanje in podobne lastnosti se najbolje ujemajo z opazovanjem tekočine dinamiko. Z njimi opišite gibanje tekočine.
Faktor C v strižni hitrosti
En primer jeBlake-Kozeny / Cannellakorelacija, je pokazala, da lahko izračunate strižno hitrost iz povprečja simulacije pretoka v porni lestvici, medtem ko prilagajate "C-faktor", dejavnik, ki upošteva, kako lastnosti tekočine vsebujejo poroznost, prepustnost, reologijo tekočine in druge vrednosti se razlikujejo. Do te ugotovitve je prišlo s prilagajanjem faktorja C v razponu sprejemljivih količin, ki so jih pokazali eksperimentalni rezultati.
Splošna oblika enačb za izračun strižne hitrosti ostaja razmeroma enaka. Znanstveniki in inženirji pri pripravi enačb strižne hitrosti uporabljajo hitrost plasti v gibanju, deljeno z razdaljo med plastmi.
Strižna hitrost vs. Viskoznost
Obstajajo naprednejše in niansirane formule za testiranje strižne hitrosti in viskoznosti različnih tekočin za različne specifične scenarije. Primerjava strižne hitrosti v primerjavi s viskoznost v teh primerih vam lahko pokaže, kdaj je eden bolj uporaben kot drugi. Sami projektiranje vijakov, ki uporabljajo prostore med kovinskimi spiralnimi odseki, jim omogočajo, da se enostavno prilegajo dizajnom, ki so jim namenjeni.
Procesiztiskanje, način izdelave izdelka s potiskanjem materiala skozi odprtine na jeklenih diskih, da tvori obliko, vam omogoča izdelavo posebnih oblik kovin, plastike in celo živil, kot so testenine ali žita. To ima aplikacije pri ustvarjanju farmacevtskih izdelkov, kot so suspenzije in posebna zdravila. Postopek ekstrudiranja dokazuje tudi razliko med strižno hitrostjo in viskoznostjo.
Z enačbo
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
za premer vijakaDv mm, hitrost vijakaNv vrtljajih na minuto (vrt / min) in globini kanalahv mm lahko izračunate strižno hitrost za iztiskanje vijačnega kanala. Ta enačba je močno podobna prvotni formuli strižne hitrosti (γ = V / x)pri deljenju hitrosti gibljive plasti z razdaljo med obema plastema. Tako dobite tudi kalkulator hitrosti striženja vrtljajev na minuto, ki upošteva število vrtljajev na minuto različnih procesov.
Strižna hitrost pri izdelavi vijakov
Med tem postopkom inženirji uporabljajo strižno hitrost med vijakom in steno cevi. Nasprotno pa je strižna hitrost, ko vijak prodira skozi jekleni disk
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
z volumetričnim tokomVin polmer luknjeR, ki je še vedno podobna prvotni formuli strižne hitrosti.
IzračunašVz delitvijo padca tlaka čez kanalΔPz viskoznostjo polimeraη, podobno prvotni enačbi za strižne napetostiτ.Ti konkretni primeri vam dajo še en način primerjave strižne hitrosti v primerjavi s viskoznosti in s pomočjo teh metod za kvantificiranje razlik v gibanju tekočin lahko bolje razumete dinamiko teh pojavov.
Uporaba strižne hitrosti in viskoznosti
Razen preučevanja fizikalnih in kemijskih pojavov tekočin, se strižna hitrost in viskoznost uporabljata v številnih aplikacijah v fiziki in inženirstvu. Newtonove tekočine, ki imajo stalno viskoznost, kadar sta temperatura in tlak konstantna, ker v teh scenarijih ne pride do kemičnih reakcij sprememb faze.
Večina resničnih primerov tekočin pa ni tako preprostih. Izračunate lahko viskoznosti ne-newtonskih tekočin, saj so odvisne od strižne hitrosti. Znanstveniki in inženirji običajno uporabljajo reometre za merjenje hitrosti striženja in s tem povezanih dejavnikov ter za samo striženje.
Ko spreminjate obliko različnih tekočin in kako so razporejene glede na druge plasti tekočin, se lahko viskoznost znatno razlikuje. Včasih se znanstveniki in inženirji sklicujejo na "navidezna viskoznost"z uporabo spremenljivkeηAkot ta vrsta viskoznosti. Raziskave v biofiziki so pokazale, da se navidezna viskoznost krvi hitro poveča, ko hitrost striženja pade pod 200 s-1.
Za sisteme za črpanje, mešanje in transport tekočin daje navidezna viskoznost poleg strižnih stopenj inženirji način proizvodnje izdelkov v farmacevtski industriji in proizvodnja mazil in kreme.
Ti izdelki izkoriščajo ne-Newtonovo vedenje teh tekočin, tako da se viskoznost zmanjša, ko si na kožo namažete mazilo ali kremo. Ko nehate drgniti, se tudi striženje tekočine ustavi, tako da se viskoznost izdelka poveča in se material usede.