Att snurra en sked i en kopp te för att blanda den kan visa dig hur relevant det är att förstå vätskans dynamik i vardagen. Att använda fysik för att beskriva vätskeflöde och beteende kan visa dig de invecklade och komplicerade krafterna som går in i en så enkel uppgift som att röra en kopp te. Skjuvhastigheten är ett exempel som kan förklara vätska.
Skjuvhastighetsformel
En vätska "klipps" när olika lager av vätskan rör sig förbi varandra. Skjuvhastighet beskriver denna hastighet. En mer teknisk definition är att skjuvhastigheten är flödeshastighetsgradienten vinkelrätt eller i rät vinkel mot flödesriktningen. Det utgör en belastning på vätskan som kan bryta bindningar mellan partiklar i sitt material, varför det beskrivs som en "skjuvning".
När du observerar den parallella rörelsen av en platta eller ett lager av ett material som ligger ovanför en annan platta eller ett lager som är ändå kan du bestämma skjuvhastigheten från skiktets hastighet med avseende på avståndet mellan de två skikten. Forskare och ingenjörer använder formeln
y = V / xför skjuvhastighetγ("gamma") i enheter av s-1, det rörliga skiktets hastighetVoch avståndet mellan skiktenmi meter.Detta låter dig beräkna skjuvhastigheten som en funktion av själva skikten, om du antar att topplattan eller skiktet rör sig parallellt med botten. Skjuvhastighetsenheterna är i allmänhet s-1 för olika ändamål.
Skjuvspänning
Att trycka en vätska som lotion på huden gör vätskans rörelse parallell med din hud och motsätter sig rörelsen som pressar vätskan direkt på huden. Vätskans form i förhållande till din hud påverkar hur lotionens partiklar bryts upp när de appliceras.
Du kan också relatera skjuvhastighetenγtill skjuvspänningenτ("tau") till viskositet, en vätskes motståndskraft mot flöde,η("eta") genom
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in somτär samma enheter som tryck (N / m2 eller pascal Pa) ochηi enheter av(N / m2 s). Deviskositetger dig ett annat sätt att beskriva vätskans rörelse och beräkna en skjuvspänning som är unik för själva vätskans substans.
Denna skjuvhastighetsformel låter forskare och ingenjörer bestämma den inneboende karaktären av ren stress för de material de använder i att studera biofysiken av mekanismer såsom elektrontransportkedjan och kemiska mekanismer såsom polymerflod.
Andra formler för skjuvhastighet
Mer komplicerade exempel på skjuvhastighetsformeln relaterar skjuvhastighet till andra egenskaper hos vätskor såsom flödeshastighet, porositet, permeabilitet och adsorption. Detta låter dig använda skjuvhastighet i kompliceratbiologiska mekanismer, såsom produktion av biopolymerer och andra polysackarider.
Dessa ekvationer produceras genom teoretiska beräkningar av egenskaperna hos de fysiska fenomenen själva, liksom genom att testa vilka typer av ekvationer för form, rörelse och liknande egenskaper som bäst matchar observationerna av vätska dynamik. Använd dem för att beskriva flytande rörelse.
C-faktor i skjuvhastighet
Ett exempel,Blake-Kozeny / Cannellakorrelation, visade att du kan beräkna skjuvhastigheten från medelvärdet av en porskalig flödesimulering medan du justerar "C-faktor", en faktor som redogör för hur vätskans egenskaper av porositet, permeabilitet, vätskereologi och andra värden variera. Denna upptäckt kom genom att justera C-faktorn inom ett intervall av acceptabla mängder som experimentella resultat hade visat.
Den allmänna formen av ekvationerna för beräkning av skjuvhastigheten förblir relativt densamma. Forskare och ingenjörer använder skiktets hastighet i rörelse dividerat med avståndet mellan skikten när de kommer upp med skjuvhastighetsekvationer.
Skjuvhastighet vs. Viskositet
Mer avancerade och nyanserade formler finns för att testa skjuvhastigheten och viskositeten hos olika vätskor för olika, specifika scenarier. Jämföra skjuvhastighet vs. viskositet för dessa fall kan visa dig när det ena är mer användbart än det andra. Designa skruvar själva som använder kanaler med utrymme mellan metalliska spiralliknande sektioner kan låta dem enkelt passa in i mönster som de är avsedda för.
Processenextrudering, en metod för att tillverka en produkt genom att tvinga ett material genom öppningar i stålskivor för att bilda en form, kan låta dig göra specifika mönster av metaller, plast och till och med livsmedel som pasta eller spannmål. Detta har applikationer för att skapa farmaceutiska produkter som suspensioner och specifika läkemedel. Extruderingsprocessen visar också skillnaden mellan skjuvhastighet och viskositet.
Med ekvationen
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
för skruvdiameterDi mm, skruvhastighetNi varv per minut (rpm) och kanaldjuphi mm kan du beräkna skjuvhastigheten för extrudering av en skruvkanal. Denna ekvation liknar starkt den ursprungliga skjuvhastighetsformeln (y = V / x)genom att dividera hastigheten hos det rörliga skiktet med avståndet mellan de två skikten. Detta ger dig också en rpm till skjuvhastighetsräknare som står för varv per minut för olika processer.
Skjuvhastighet när du gör skruvar
Ingenjörer använder skjuvhastigheten mellan skruven och pipväggen under denna process. Däremot är skjuvhastigheten när skruven tränger in i stålskivan
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
med volymflödetFoch hålradieR, som fortfarande liknar den ursprungliga skjuvhastighetsformeln.
Du beräknarFgenom att dela tryckfallet över kanalenAPgenom polymerviskositetenη, liknar den ursprungliga ekvationen för skjuvspänningτ.Detta specifika exempel ger dig en annan metod för att jämföra skjuvhastighet vs. viskositet, och genom dessa metoder för att kvantifiera skillnaderna i vätskans rörelse kan du bättre förstå dynamiken i dessa fenomen.
Skjuvhastighets- och viskositetsapplikationer
Förutom att studera de fysiska och kemiska fenomenen hos själva vätskor, har skjuvhastighet och viskositet användningar i en mängd olika tillämpningar inom fysik och teknik. Newtons vätskor som har en konstant viskositet när temperatur och tryck är konstanta eftersom det inte finns några kemiska reaktioner av fasförändringar som inträffar i dessa scenarier.
De flesta verkliga exempel på vätskor är dock inte så enkla. Du kan beräkna viskositeter för icke-newtonska vätskor eftersom de beror på skjuvhastigheten. Forskare och ingenjörer använder vanligtvis reometrar för att mäta skjuvhastighet och relaterade faktorer samt för att själva klippa.
När du ändrar formen på olika vätskor och hur de är ordnade i förhållande till de andra vätskeskikten kan viskositeten variera avsevärt. Ibland hänvisar forskare och ingenjörer till "uppenbar viskositet"med variabelnηAsom denna typ av viskositet. Forskning inom biofysik har visat att uppenbar viskositet av blod ökar snabbt när skjuvhastigheten sjunker under 200 s-1.
För system som pumpar, blandar och transporterar vätskor ger den uppenbara viskositeten vid sidan av skjuvhastigheterna ingenjörer ett sätt att tillverka produkter inom läkemedelsindustrin och produktion av salvor och krämer.
Dessa produkter utnyttjar det icke-newtonska beteendet hos dessa vätskor så att viskositeten minskar när du gnäller salva eller kräm på huden. När du slutar gnugga stannar också vätskans klippning så att produktens viskositet ökar och materialet sätter sig.