การปั่นช้อนในถ้วยชาผสมกันสามารถแสดงให้คุณเห็นว่าการเข้าใจพลวัตของของเหลวในชีวิตประจำวันมีความสำคัญเพียงใด การใช้ฟิสิกส์เพื่ออธิบายการไหลและพฤติกรรมของของเหลวสามารถแสดงให้คุณเห็นถึงแรงที่ซับซ้อนและซับซ้อนซึ่งทำงานง่ายๆ เช่น การกวนชา อัตราเฉือนเป็นตัวอย่างหนึ่งที่สามารถอธิบายพฤติกรรมของของไหลได้
สูตรอัตราเฉือน
ของเหลวจะถูก "ตัด" เมื่อชั้นต่างๆ ของของไหลเคลื่อนผ่านกันและกัน อัตราเฉือนอธิบายความเร็วนี้ คำจำกัดความทางเทคนิคเพิ่มเติมคืออัตราเฉือนคือการไล่ระดับความเร็วการไหลตั้งฉากหรือที่มุมฉากกับทิศทางการไหล มันทำให้เกิดความเครียดกับของเหลวที่อาจทำลายพันธะระหว่างอนุภาคในวัสดุของมัน ซึ่งเป็นสาเหตุที่อธิบายว่าเป็น "แรงเฉือน"
เมื่อคุณสังเกตการเคลื่อนที่ขนานของจานหรือชั้นของวัสดุที่อยู่เหนือจานหรือชั้นอื่นที่ ถึงกระนั้น คุณสามารถกำหนดอัตราเฉือนจากความเร็วของชั้นนี้เทียบกับระยะห่างระหว่างสอง ชั้น นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้สูตรนี้γ = วี/xสำหรับอัตราเฉือนγ("แกมมา") ในหน่วยของ s-1, ความเร็วของชั้นเคลื่อนที่วีและระยะห่างระหว่างชั้นมหน่วยเป็นเมตร
วิธีนี้ช่วยให้คุณคำนวณอัตราเฉือนเป็นฟังก์ชันของการเคลื่อนที่ของเลเยอร์ได้ หากคุณถือว่าเพลตด้านบนหรือเลเยอร์เคลื่อนที่ขนานกับด้านล่าง หน่วยอัตราเฉือนโดยทั่วไปคือ s
แรงเฉือน
การกดของเหลว เช่น โลชั่นลงบนผิวจะทำให้การเคลื่อนที่ของของเหลวนั้นขนานกับผิวของคุณและต่อต้านการเคลื่อนไหวที่กดของเหลวลงบนผิวหนังโดยตรง รูปร่างของของเหลวที่สัมพันธ์กับผิวของคุณจะส่งผลต่อการแตกตัวของอนุภาคของโลชั่นขณะทา
นอกจากนี้คุณยังสามารถเชื่อมโยงอัตราเฉือน sheγต่อแรงเฉือนτ("เอกภาพ") ต่อความหนืด ความต้านทานต่อการไหลของของไหลη("กทพ.") ถึง
\gamma = \frac{\eta}{\tau}
ผมn ซึ่งτเป็นหน่วยเดียวกับความดัน (N/m2 หรือปาสกาลปา) และηในหน่วยของ(N/m2 ซ)ความหนืดเป็นอีกวิธีหนึ่งในการอธิบายการเคลื่อนที่ของของไหลและการคำนวณความเค้นเฉือนที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของสารของของไหล
สูตรอัตราเฉือนนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถกำหนดลักษณะที่แท้จริงของความเครียดจากวัสดุที่ใช้ได้ ในการศึกษาชีวฟิสิกส์ของกลไกต่างๆ เช่น ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน และกลไกทางเคมี เช่น การเกิดน้ำท่วมของพอลิเมอร์
สูตรอัตราเฉือนอื่นๆ
ตัวอย่างที่ซับซ้อนมากขึ้นของสูตรอัตราเฉือนสัมพันธ์กับอัตราเฉือนกับคุณสมบัติอื่นๆ ของของเหลว เช่น ความเร็วการไหล ความพรุน การซึมผ่าน และการดูดซับ วิธีนี้ช่วยให้คุณใช้อัตราเฉือนที่ซับซ้อนได้กลไกทางชีวภาพเช่น การผลิตไบโอโพลีเมอร์และพอลิแซ็กคาไรด์อื่นๆ
สมการเหล่านี้เกิดขึ้นจากการคำนวณทางทฤษฎีของคุณสมบัติของปรากฏการณ์ทางกายภาพด้วยตัวมันเองเช่นกัน ผ่านการทดสอบว่าสมการรูปร่าง การเคลื่อนที่ และสมบัติที่คล้ายคลึงกันประเภทใดที่ตรงกับการสังเกตของไหลมากที่สุด พลวัต ใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของของไหล
C-factor ในอัตราการเฉือน
ตัวอย่างหนึ่งเบลค-โคเซนีย์/แคนเนลลาสหสัมพันธ์ แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถคำนวณอัตราเฉือนจากค่าเฉลี่ยของการจำลองการไหลของระดับรูพรุนในขณะที่ปรับ "C-factor" ปัจจัยที่อธิบายคุณสมบัติของของไหล เช่น ความพรุน การซึมผ่าน การไหลของของไหล และค่าอื่นๆ แตกต่างกันไป การค้นพบนี้มาจากการปรับปัจจัย C ภายในช่วงของปริมาณที่ยอมรับได้ซึ่งผลการทดลองแสดงให้เห็น
รูปแบบทั่วไปของสมการในการคำนวณอัตราเฉือนยังคงค่อนข้างเหมือนเดิม นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้ความเร็วของการเคลื่อนที่ของชั้นหารด้วยระยะห่างระหว่างชั้นเมื่อสร้างสมการอัตราเฉือน
อัตราเฉือนเทียบกับ ความหนืด
มีสูตรขั้นสูงและละเอียดยิ่งขึ้นสำหรับการทดสอบอัตราเฉือนและความหนืดของของเหลวต่างๆ สำหรับสถานการณ์เฉพาะที่แตกต่างกัน เปรียบเทียบอัตราเฉือนกับ ความหนืดของเคสเหล่านี้สามารถแสดงให้คุณเห็นเมื่ออันใดอันหนึ่งมีประโยชน์มากกว่าอันอื่น การออกแบบสกรูเองที่ใช้ช่องช่องว่างระหว่างส่วนที่คล้ายเกลียวโลหะสามารถช่วยให้เข้ากับการออกแบบที่ต้องการได้อย่างง่ายดาย
กระบวนการของการอัดรีดซึ่งเป็นวิธีการผลิตผลิตภัณฑ์โดยการบังคับวัสดุผ่านช่องเปิดในจานเหล็กเพื่อสร้างรูปร่าง ช่วยให้คุณสามารถออกแบบโลหะ พลาสติก และแม้แต่อาหารอย่างพาสต้าหรือซีเรียลที่เฉพาะเจาะจงได้ มีการประยุกต์ใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์ยาเช่นสารแขวนลอยและยาเฉพาะ กระบวนการอัดรีดยังแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างระหว่างอัตราเฉือนและความหนืด
ด้วยสมการ
\gamma = \frac{\pi DN}{60h}
สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางสกรูดีหน่วย มม. ความเร็วของสกรูนู๋เป็นรอบต่อนาที (rpm) และความลึกของช่องสัญญาณห่าในหน่วยมิลลิเมตร คุณสามารถคำนวณอัตราเฉือนสำหรับการอัดรีดช่องสกรูได้ สมการนี้คล้ายกันมากกับสูตรอัตราเฉือนเดิม (γ = วี/x)ในการหารความเร็วของชั้นเคลื่อนที่ด้วยระยะห่างระหว่างชั้นทั้งสอง นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณมีรอบต่อนาทีในการคำนวณอัตราเฉือนที่คำนวณรอบต่อนาทีของกระบวนการต่างๆ
อัตราเฉือนเมื่อทำสกรู
วิศวกรใช้อัตราเฉือนระหว่างสกรูกับผนังกระบอกสูบในระหว่างกระบวนการนี้ ในทางตรงกันข้าม อัตราเฉือนเมื่อสกรูเจาะแผ่นเหล็กคือ
\gamma = \frac{4Q}{\pi R^3}
ด้วยการไหลเชิงปริมาตรคิวและรัศมีรูRซึ่งยังคงมีความคล้ายคลึงกับสูตรอัตราเฉือนเดิม
คุณคำนวณคิวโดยแบ่งแรงดันตกคร่อมช่องΔPโดยความหนืดของพอลิเมอร์ηคล้ายกับสมการเดิมของความเค้นเฉือนτ.ตัวอย่างเฉพาะนี้ช่วยให้คุณมีวิธีการอื่นในการเปรียบเทียบอัตราเฉือนกับ ความหนืด และด้วยวิธีการเหล่านี้ในการหาปริมาณความแตกต่างในการเคลื่อนที่ของของไหล คุณสามารถเข้าใจพลวัตของปรากฏการณ์เหล่านี้ได้ดีขึ้น
อัตราเฉือนและการใช้งานความหนืด
นอกเหนือจากการศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพและเคมีของของไหลแล้ว อัตราเฉือนและความหนืดยังใช้ในการใช้งานที่หลากหลายทั้งในด้านฟิสิกส์และวิศวกรรม ของเหลวของนิวตันที่มีความหนืดคงที่เมื่ออุณหภูมิและความดันคงที่เนื่องจากไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีของการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดขึ้นในสถานการณ์เหล่านั้น
ตัวอย่างของเหลวในโลกแห่งความเป็นจริงส่วนใหญ่นั้นไม่ง่ายนัก คุณสามารถคำนวณความหนืดของของไหลที่ไม่ใช่ของนิวตันได้เนื่องจากขึ้นอยู่กับอัตราเฉือน นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรมักใช้รีโอมิเตอร์ในการวัดอัตราเฉือนและปัจจัยที่เกี่ยวข้องตลอดจนดำเนินการตัดเฉือนเอง
เมื่อคุณเปลี่ยนรูปร่างของของเหลวต่างๆ และการจัดเรียงของของเหลวตามชั้นอื่นๆ ของของเหลว ความหนืดอาจแตกต่างกันอย่างมาก บางครั้งนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรอ้างถึง "ความหนืดชัดเจน" โดยใช้ตัวแปรηAเป็นความหนืดประเภทนี้ การวิจัยทางชีวฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่าความหนืดของเลือดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออัตราเฉือนต่ำกว่า 200 วินาที-1.
สำหรับระบบที่สูบ ผสม และขนส่งของเหลว ความหนืดที่ปรากฏควบคู่ไปกับอัตราเฉือนจะให้ วิศวกรวิธีการผลิตผลิตภัณฑ์ในอุตสาหกรรมยาและการผลิตขี้ผึ้งและ ครีม
ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมที่ไม่ใช่ของนิวตันของของเหลวเหล่านี้ เพื่อให้ความหนืดลดลงเมื่อคุณทาครีมหรือครีมบนผิวของคุณ เมื่อคุณหยุดถู แรงเฉือนของของเหลวจะหยุดเช่นกันเพื่อให้ความหนืดของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นและวัสดุจับตัว