Jak obliczyć szybkość ścinania

Zawartość

• Formuła szybkości ścinania
• Naprężenie ścinające
• Inne formuły szybkości ścinania
• Współczynnik C w szybkości ścinania
• Szybkość ścinania a lepkość
• Szybkość ścinania podczas wykonywania śrub
• Zastosowania szybkości ścinania i lepkości

Obrócenie łyżki w filiżance herbaty, aby ją wymieszać, może pokazać, jak ważne jest zrozumienie dynamiki płynów w życiu codziennym. Wykorzystanie fizyki do opisania przepływu i zachowania cieczy może pokazać zawiłe i skomplikowane siły, które stają się tak proste, jak mieszanie filiżanki herbaty. Szybkość ścinania jest jednym przykładem, który może wyjaśnić zachowanie płynów.

Formuła szybkości ścinania

Płyn jest „ścinany”, gdy różne warstwy płynu przemieszczają się obok siebie. Szybkość ścinania opisuje tę prędkość. Bardziej techniczną definicją jest to, że szybkość ścinania jest gradientem prędkości przepływu prostopadłym lub pod kątem prostym do kierunku przepływu. Powoduje to naprężenie cieczy, które może zerwać wiązania między cząstkami w materiale, dlatego opisuje się ją jako „ścinanie”.

Obserwując równoległy ruch płyty lub warstwy materiału, który znajduje się nad inną płytą lub nieruchomą warstwą, można określić szybkość ścinania na podstawie prędkości tej warstwy w odniesieniu do odległości między dwiema warstwami. Naukowcy i inżynierowie używają tej formuły γ = V / x dla szybkości ścinania γ („gamma”) w jednostkach s^-1, prędkość warstwy ruchomej V. i odległość między warstwami m w metrach.

Pozwala to obliczyć szybkość ścinania w zależności od ruchu samych warstw, jeśli założymy, że górna płyta lub warstwa porusza się równolegle do dołu. Jednostki szybkości ścinania są na ogół s^-1 do różnych celów.

Naprężenie ścinające

Naciskanie płynu, takiego jak balsam na skórę, powoduje, że płyny poruszają się równolegle do skóry i przeciwdziałają ruchowi, który naciska płyn bezpośrednio na skórę. Kształt płynu w stosunku do skóry wpływa na to, jak cząstki balsamu rozpadają się podczas nakładania.

Możesz także powiązać szybkość ścinania γ na naprężenie ścinające τ („tau”) na lepkość, odporność cieczy na przepływ, η („eta”) przez γ = η / τ i_n które _τ to te same jednostki, co ciśnienie (N / m² lub pascals Pa) i η w jednostkach _ (_ N / m² s). The lepkość daje inny sposób opisu ruchu płynu i obliczenia naprężenia ścinającego, które jest unikalne dla samej substancji płynu.

Ta formuła szybkości ścinania pozwala naukowcom i inżynierom określić wewnętrzną naturę naprężenia ścinającego w materiałach, których używają do badania biofizyki mechanizmów, takich jak łańcuch transportu elektronów i mechanizmów chemicznych, takich jak zalewanie polimerów.

Inne formuły szybkości ścinania

Bardziej skomplikowane przykłady formuły szybkości ścinania odnoszą szybkość ścinania do innych właściwości cieczy, takich jak prędkość przepływu, porowatość, przepuszczalność i adsorpcja. Pozwala to na zastosowanie skomplikowanej szybkości ścinania mechanizmy biologiczne, takich jak produkcja biopolimerów i innych polisacharydów.

Równania te są tworzone przez teoretyczne obliczenia właściwości samych zjawisk fizycznych, a także przez testowanie, jakie typy równań dla kształtu, ruchu i podobnych właściwości najlepiej pasują do obserwacji dynamiki płynów. Użyj ich, aby opisać ruch płynu.

Współczynnik C w szybkości ścinania

Jednym z przykładów jest Blake-Kozeny / Cannella korelacja pokazała, że ​​można obliczyć szybkość ścinania na podstawie średniej symulacji przepływu w skali porów przy jednoczesnym dostosowaniu „współczynnika C”, współczynnika, który wyjaśnia, jak zmieniają się właściwości porowatości, przepuszczalności, reologii płynów i innych wartości. To odkrycie nastąpiło poprzez dostosowanie współczynnika C w zakresie dopuszczalnych ilości, które wykazały wyniki eksperymentów.

Ogólna postać równań do obliczania szybkości ścinania pozostaje względnie taka sama. Naukowcy i inżynierowie wykorzystują prędkość warstwy w ruchu podzieloną przez odległość między warstwami, gdy wymyślają równania szybkości ścinania.

Szybkość ścinania a lepkość

Istnieją bardziej zaawansowane i dopracowane formuły do ​​testowania szybkości ścinania i lepkości różnych płynów dla różnych, konkretnych scenariuszy. Porównanie szybkości ścinania i lepkości dla tych przypadków może pokazać, kiedy jedno jest bardziej przydatne niż drugie. Projektowanie samych śrub, które wykorzystują kanały przestrzeni między metalowymi spiralnymi sekcjami, pozwala łatwo dopasować je do projektów, do których są przeznaczone.

Proces wyrzucenie, metoda wytwarzania produktu przez wyciskanie materiału przez otwory w stalowych dyskach w celu uformowania kształtu, może pozwolić na wykonanie określonych wzorów metali, tworzyw sztucznych, a nawet żywności, takiej jak makaron lub płatki zbożowe. Ma to zastosowanie w tworzeniu produktów farmaceutycznych, takich jak zawiesiny i określone leki. Proces wytłaczania pokazuje również różnicę między szybkością ścinania a lepkością.

Z równaniem γ = (π x D x N) / (60 x h) dla średnicy ślimaka re w mm, prędkość ślimaka N. w obrotach na minutę (rpm) i głębokości kanału h w mm można obliczyć szybkość ścinania dla wytłaczania kanału śrubowego. To równanie jest bardzo podobne do oryginalnej formuły szybkości ścinania (γ = V / x) dzieląc prędkość warstwy ruchomej przez odległość między dwiema warstwami. Daje to również kalkulator obrotów na minutę, który uwzględnia obroty różnych procesów na minutę.

Szybkość ścinania podczas wykonywania śrub

Podczas tego procesu inżynierowie wykorzystują szybkość ścinania między śrubą a ścianą lufy. Natomiast szybkość ścinania, gdy śruba penetruje stalowy dysk, wynosi γ = (4 x Q) / (π x R³__) z przepływem objętościowym Q i promień otworu R, który nadal przypomina pierwotną formułę szybkości ścinania.

Ty obliczysz Q dzieląc spadek ciśnienia w kanale ΔP przez lepkość polimeru η, podobne do pierwotnego równania naprężenia ścinającego τ. Ten konkretny przykład przedstawia inną metodę porównywania szybkości ścinania z lepkością, a dzięki tym metodom kwantyfikacji różnic w ruchu płynów można lepiej zrozumieć dynamikę tych zjawisk.

Zastosowania szybkości ścinania i lepkości

Poza badaniem fizycznych i chemicznych zjawisk samych płynów, szybkość ścinania i lepkość znajdują zastosowanie w różnych zastosowaniach w fizyce i inżynierii. Ciecze newtonowskie, które mają stałą lepkość, gdy temperatura i ciśnienie są stałe, ponieważ w tych scenariuszach nie zachodzą reakcje chemiczne zmian faz.

Jednak większość rzeczywistych przykładów płynów nie jest tak prosta. Można obliczyć lepkości płynów nienewtonowskich, ponieważ zależą one od szybkości ścinania. Naukowcy i inżynierowie zwykle używają reometrów do pomiaru szybkości ścinania i powiązanych czynników, a także do wykonywania samego ścinania.

Gdy zmieniasz kształt różnych płynów i sposób ich rozmieszczania względem innych warstw płynów, lepkość może się znacznie różnić. Czasami naukowcy i inżynierowie odnoszą się do „pozorna lepkość„przy użyciu zmiennej ηA jak ten typ lepkości. Badania w dziedzinie biofizyki wykazały, że lepkość pozorna krwi szybko rośnie, gdy szybkość ścinania spada poniżej 200 s^-1.

W przypadku systemów pompujących, mieszających i transportujących płyny pozorna lepkość wraz z szybkościami ścinania zapewnia inżynierom sposób wytwarzania produktów w przemyśle farmaceutycznym oraz produkcji maści i kremów.

Produkty te wykorzystują nienewtonowskie zachowanie tych płynów, dzięki czemu lepkość spada, gdy wciera się w skórę maść lub krem. Gdy przestaniecie wcierać, ścinanie cieczy również się zatrzymuje, tak że lepkość produktów wzrasta, a materiał osiada.