Обертаючи ложку в чашці чаю, щоб змішати її, можна показати, наскільки доречно розуміти динаміку рідин у повсякденному житті. Використання фізики для опису течії та поведінки рідин може показати вам хитромудрі та складні сили, які входять у таке просте завдання, як перемішування чашки чаю. Швидкість зсуву - один із прикладів, який може пояснити поведінку рідин.
Формула швидкості зсуву
Рідина «зрізається», коли різні шари рідини рухаються один за одним. Швидкість зсуву описує цю швидкість. Більш технічне визначення полягає в тому, що швидкість зсуву - це градієнт швидкості потоку, перпендикулярний або під прямим кутом до напрямку потоку. Це створює навантаження на рідину, яка може розривати зв’язки між частинками в її матеріалі, і тому вона описується як «зсув».
Коли ви спостерігаєте паралельний рух пластини або шару матеріалу, що знаходиться над іншою пластиною або шаром, що це все-таки ви можете визначити швидкість зсуву за швидкістю цього шару відносно відстані між ними шари. Вчені та інженери використовують формулу
γ = V / xдля швидкості зсувуγ("гамма") в одиницях с-1, швидкість рухомого шаруVта відстань між шарамимв метрах.Це дозволяє вам розрахувати швидкість зсуву як функцію руху самих шарів, якщо ви вважаєте, що верхня плита або шар рухаються паралельно дну. Одиниці швидкості зсуву, як правило, s-1 для різних цілей.
Напруга зсуву
Натискання рідини, наприклад лосьйону, на шкіру робить рух рідини паралельним шкірі та протидіє руху, який тисне рідину безпосередньо на шкіру. Форма рідини щодо вашої шкіри впливає на те, як частинки лосьйону розпадаються під час їх нанесення.
Ви також можете встановити співвідношення швидкості зсувуγдо напруги зсувуτ("тау") до в'язкості, опору рідини потоку,η("ета") через
\ gamma = \ frac {\ eta} {\ tau}
in якийτ- ті самі одиниці виміру, що і тиск (Н / м2 або паскалі Па) іηв одиницях(Н / м2 s).в'язкістьдає вам інший спосіб опису руху рідини та обчислення напруги зсуву, який є унікальним для самої речовини рідини.
Ця формула швидкості зсуву дозволяє вченим та інженерам визначити внутрішню природу прямого напруження матеріалів, які вони використовують при вивченні біофізики таких механізмів, як електронно-транспортний ланцюг, та хімічних механізмів, таких як затоплення полімерів
Інші формули швидкості зсуву
Більш складні приклади формули швидкості зсуву пов’язують швидкість зсуву з іншими властивостями рідин, такими як швидкість потоку, пористість, проникність та адсорбція. Це дозволяє використовувати складну швидкість зсувубіологічні механізми, таких як виробництво біополімерів та інших полісахаридів.
Ці рівняння формуються шляхом теоретичних розрахунків властивостей самих фізичних явищ, а також шляхом тестування, які типи рівнянь за формою, рухом та подібними властивостями найкраще відповідають спостереженням рідини динаміка. Використовуйте їх для опису руху рідини.
С-коефіцієнт у швидкості зсуву
Один із прикладівБлейк-Козені / Канеллакореляція, показала, що ви можете обчислити швидкість зсуву із середнього значення імітації потоку в масштабі пор, одночасно регулюючи "С-фактор" - фактор, що враховує, як властивості рідини пористість, проникність, реологічність рідини та інші значення варіюються. Цей висновок відбувся завдяки регулюванню С-фактора в межах допустимих величин, які показали експериментальні результати.
Загальна форма рівнянь для розрахунку швидкості зсуву залишається відносно незмінною. Вчені та інженери використовують швидкість руху шару, поділену на відстань між шарами, формуючи рівняння швидкості зсуву.
Швидкість зсуву проти В'язкість
Існують більш досконалі та нюансовані формули для тестування швидкості зсуву та в'язкості різних рідин для різних конкретних сценаріїв. Порівняння швидкості зсуву проти в'язкість для цих випадків може показати вам, коли один корисніший за інший. Самі конструкції гвинтів, які використовують канали простору між металевими спіралеподібними секціями, дозволяють легко вписуватися в конструкції, для яких вони призначені.
Процесекструзія, спосіб виготовлення виробу шляхом проштовхування матеріалу через отвори на сталевих дисках для формування форми може дозволити вам виготовляти конкретні конструкції з металів, пластмас та навіть таких продуктів, як макарони або крупи. Це має застосування у створенні фармацевтичних продуктів, таких як суспензії та конкретні ліки. Процес екструзії також демонструє різницю між швидкістю зсуву та в'язкістю.
З рівнянням
\ gamma = \ frac {\ pi DN} {60h}
для діаметра гвинтаDв мм, швидкість гвинтаNв обертах на хвилину (об / хв) і глибині каналуhв мм, ви можете розрахувати швидкість зсуву для екструзії гвинтового каналу. Це рівняння абсолютно схоже на вихідну формулу швидкості зсуву (γ = V / x)при діленні швидкості рухомого шару на відстань між двома шарами. Це також дає вам калькулятор швидкості зсуву, який враховує оберти за хвилину різних процесів.
Швидкість зсуву при виготовленні гвинтів
Під час цього процесу інженери використовують швидкість зсуву між гвинтом і стінкою стовбура. На відміну від цього, швидкість зсуву, коли гвинт проникає через сталевий диск, є
\ gamma = \ frac {4Q} {\ pi R ^ 3}
з об'ємним потокомЗі радіус отворуР, яка все ще має схожість з початковою формулою швидкості зсуву.
Ви обчислюєтеЗподілом перепаду тиску по каналуΔPза в'язкістю полімеруη, подібно до вихідного рівняння для напруги зсувуτ.Ці конкретні приклади дають вам інший метод порівняння швидкості зсуву проти в'язкості, і, за допомогою цих методів кількісної оцінки відмінностей руху рідин, ви можете краще зрозуміти динаміку цих явищ.
Застосування швидкості зсуву та в'язкості
Окрім вивчення фізичних та хімічних явищ самих рідин, швидкість зсуву та в'язкість застосовуються у різних сферах фізики та техніки. Ньютонівські рідини, що мають постійну в'язкість, коли температура і тиск постійні, оскільки в цих сценаріях не відбувається хімічних реакцій змін фази.
Більшість реальних прикладів рідин, однак, не настільки прості. Ви можете розрахувати в'язкість неньютонівських рідин, оскільки вони залежать від швидкості зсуву. Вчені та інженери, як правило, використовують реометри для вимірювання швидкості зсуву та пов'язаних з ними факторів, а також для виконання самого зсуву.
У міру зміни форми різних рідин та способу їх розташування щодо інших шарів рідини в’язкість може істотно змінюватися. Іноді вчені та інженери посилаються на "видима в'язкість"за допомогою змінноїηAяк цей тип в'язкості. Дослідження в галузі біофізики показали, що очевидна в'язкість крові швидко зростає, коли швидкість зсуву падає нижче 200 с-1.
Для систем, що перекачують, змішують і транспортують рідини, очевидна в'язкість поряд зі швидкістю зсуву дає інженери спосіб виготовлення продукції у фармацевтичній промисловості та виробництво мазей і креми.
Ці продукти використовують переваги неньютонівської поведінки цих рідин, так що в’язкість зменшується, коли ви втираєте мазь або крем на шкіру. Коли ви припиняєте розтирання, зсув рідини також припиняється, так що в’язкість продукту збільшується і матеріал осідає.
