Πώς να υπολογίσετε την ταχύτητα διάτμησης

Περιεχόμενο

• Φόρμουλα διατομής
• Διατμητική πίεση
• Άλλοι τύποι διατμητικής συχνότητας
• Συντελεστής C στην ταχύτητα διάτμησης
• Διατμητική ταχύτητα έναντι ιξώδους
• Διατμητική ταχύτητα κατά την παραγωγή βιδών
• Εφαρμογές ταχύτητας διάτμησης και ιξώδους

Η περιποίηση ενός κουταλιού σε ένα φλιτζάνι τσαγιού για να το αναμίξετε μπορεί να σας δείξει πόσο σημαντικό είναι να κατανοήσετε τη δυναμική των υγρών στην καθημερινή ζωή. Η χρήση της φυσικής για να περιγράψετε τη ροή και τη συμπεριφορά των υγρών μπορεί να σας δείξει τις περίπλοκες και πολύπλοκες δυνάμεις που πηγαίνουν σε ένα τόσο απλό έργο όπως η ανάδευση ενός φλιτζανιού τσαγιού. Ο ρυθμός διάτμησης είναι ένα παράδειγμα που μπορεί να εξηγήσει τη συμπεριφορά των υγρών.

Φόρμουλα διατομής

Ένα υγρό "σχίζεται" όταν διαφορετικά στρώματα του ρευστού κινούνται παρενθέμερον. Ο ρυθμός διάτμησης περιγράφει αυτή την ταχύτητα. Ένας πιο τεχνικός ορισμός είναι ότι ο ρυθμός διάτμησης είναι η κλίση της ταχύτητας ροής κάθετη ή σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση ροής. Παρουσιάζει μια πίεση στο υγρό που μπορεί να διασπάσει τους δεσμούς μεταξύ σωματιδίων στο υλικό του, γι 'αυτό το λόγο περιγράφεται ως "διάτμηση".

Όταν παρατηρείτε την παράλληλη κίνηση μιας πλάκας ή μιας στρώσης υλικού που βρίσκεται πάνω από μια άλλη πλάκα ή στρώση που παραμένει ακόμα, μπορείτε να προσδιορίσετε τον ρυθμό διάτμησης από την ταχύτητα αυτού του στρώματος σε σχέση με την απόσταση μεταξύ των δύο στρωμάτων. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τη φόρμουλα γ = V / x για τον ρυθμό διάτμησης γ ("γάμμα") σε μονάδες s^-1, ταχύτητα του κινούμενου στρώματος V και την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων Μ σε μέτρα.

Αυτό σας επιτρέπει να υπολογίσετε την ταχύτητα διάτμησης ως συνάρτηση της κίνησης των ίδιων των στρωμάτων αν υποθέσετε ότι η πλάκα ή το στρώμα της κορυφής κινείται παράλληλα προς τον πυθμένα. Οι μονάδες ταχύτητας διάτμησης είναι γενικά s^-1 για διαφορετικούς σκοπούς.

Διατμητική πίεση

Πατώντας ένα υγρό όπως λοσιόν πάνω στο δέρμα σας, το υγρό κινείται παράλληλα με το δέρμα σας και αντιτίθεται στην κίνηση που πιέζει το υγρό κατευθείαν στο δέρμα. Το σχήμα του υγρού σε σχέση με το δέρμα σας επηρεάζει το πώς τα σωματίδια της λοσιόν διαλύονται καθώς εφαρμόζονται.

Μπορείτε επίσης να αναφέρετε τον ρυθμό διάτμησης γ με την τάση διάτμησης τ ("tau") ως προς το ιξώδες, αντίσταση στις ροές, η ("eta") μέσω γ = η / τ i_n το οποίο _τ είναι οι ίδιες μονάδες με την πίεση (N / m² ή Pascals Ρα) και η σε μονάδες _ (_ N / m² μικρό). ο ιξώδες σας δίνει έναν άλλο τρόπο περιγραφής της κίνησης του υγρού και τον υπολογισμό μιας διατμητικής τάσης που είναι μοναδική στην ουσία του ίδιου του υγρού.

Αυτή η φόρμουλα διάτμησης επιτρέπει στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να καθορίσουν την εγγενή φύση του τεράστιου στρες στα υλικά που χρησιμοποιούν για τη μελέτη της βιοφυσικής μηχανισμών όπως η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και οι χημικοί μηχανισμοί όπως η πλημμύρα πολυμερών.

Άλλοι τύποι διατμητικής συχνότητας

Τα πιο πολύπλοκα παραδείγματα της φόρμουλας διάτμησης αφορούν την ταχύτητα διάτμησης σε άλλες ιδιότητες υγρών όπως ταχύτητα ροής, πορώδες, διαπερατότητα και προσρόφηση. Αυτό σας επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε τον ρυθμό διάτμησης σε περίπλοκες βιολογικούς μηχανισμούς, όπως η παραγωγή βιοπολυμερών και άλλων πολυσακχαριτών.

Αυτές οι εξισώσεις παράγονται μέσω θεωρητικών υπολογισμών των ιδιοτήτων των ίδιων των φυσικών φαινομένων, καθώς και μέσω δοκιμής των τύπων εξισώσεων για σχήμα, κίνηση και παρόμοιες ιδιότητες που ταιριάζουν καλύτερα με τις παρατηρήσεις της δυναμικής των υγρών. Χρησιμοποιήστε τα για να περιγράψετε την κίνηση του υγρού.

Συντελεστής C στην ταχύτητα διάτμησης

Ένα παράδειγμα, το Blake-Kozeny / Cannella συσχετισμός, έδειξε ότι μπορείτε να υπολογίσετε τον ρυθμό διάτμησης από τον μέσο όρο μιας προσομοίωσης ροής κλίμακας πόρου ενώ ρυθμίζετε τον συντελεστή C, έναν παράγοντα που εξηγεί πως οι ιδιότητες των υγρών του πορώδους, της διαπερατότητας, της ρεολογίας υγρών και άλλων τιμών ποικίλλουν. Αυτό το εύρημα προήλθε από την προσαρμογή του παράγοντα C μέσα σε ένα εύρος αποδεκτών ποσοτήτων που είχαν δείξει πειραματικά αποτελέσματα.

Η γενική μορφή των εξισώσεων για τον υπολογισμό του ρυθμού διάτμησης παραμένει σχετικά η ίδια. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν την ταχύτητα του στρώματος σε κίνηση διαιρούμενη με την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων όταν έρχονται με εξισώσεις της ταχύτητας διάτμησης.

Διατμητική ταχύτητα έναντι ιξώδους

Πιο προηγμένες και απαλούς φόρμουλες υπάρχουν για τη δοκιμή του ρυθμού διάτμησης και του ιξώδους διαφόρων υγρών για διαφορετικά, συγκεκριμένα σενάρια. Η σύγκριση του ρυθμού διάτμησης έναντι του ιξώδους για αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να σας δείξει όταν κάποιος είναι πιο χρήσιμος από τον άλλο. Ο σχεδιασμός των ίδιων των βιδών που χρησιμοποιούν διαύλους διαστήματος μεταξύ μεταλλικών σπειροειδών τμημάτων μπορεί να τους επιτρέψει να χωρέσουν εύκολα σε σχέδια για τα οποία προορίζονται.

Η διαδικασία του εξώθηση, μια μέθοδος κατασκευής ενός προϊόντος, αναγκάζοντας ένα υλικό μέσα από ανοίγματα στους χαλύβδινους δίσκους για να σχηματίσει ένα σχήμα, μπορεί να σας αφήσει να κάνετε συγκεκριμένους σχεδιασμούς μετάλλων, πλαστικών και ακόμα και τροφίμων όπως ζυμαρικά ή δημητριακά. Αυτό έχει εφαρμογές στη δημιουργία φαρμακευτικών προϊόντων όπως αναστολές και συγκεκριμένα φάρμακα. Η διαδικασία εξώθησης επιδεικνύει επίσης τη διαφορά μεταξύ του ρυθμού διάτμησης και του ιξώδους.

Με την εξίσωση γ = (πχχχχΝ) / (60χh) για τη διάμετρο της βίδας ρε σε mm, την ταχύτητα του κοχλία Ν σε περιστροφές ανά λεπτό (rpm) και σε βάθος καναλιού h σε mm, μπορείτε να υπολογίσετε τον ρυθμό διάτμησης για την εξώθηση ενός καναλιού βίδας. Αυτή η εξίσωση είναι απόλυτα παρόμοια με την αρχική φόρτιση (γ = V / x) διαιρώντας την ταχύτητα του κινούμενου στρώματος με την απόσταση μεταξύ των δύο στρωμάτων. Αυτό σας δίνει επίσης μια αριθμομηχανή στροφών ανά τετραγωνικό μέτρο που υπολογίζει τις περιστροφές ανά λεπτό διαφορετικών διαδικασιών.

Διατμητική ταχύτητα κατά την παραγωγή βιδών

Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν την ταχύτητα διάτμησης μεταξύ της βίδας και του τοιχώματος του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Αντίθετα, ο ρυθμός διάτμησης καθώς ο κοχλίας διαπερνά τον χάλυβα δίσκο είναι γ = (4 χ Q) / (π x R³__) με την ογκομετρική ροή Q και ακτίνα οπών R, η οποία εξακολουθεί να έχει ομοιότητα με τον αρχικό τύπο διατμητικής τιμής.

Υπολογίζετε Q διαιρώντας την πτώση πίεσης στο κανάλι ΔP από το ιξώδες του πολυμερούς η, παρόμοια με την αρχική εξίσωση για διατμητική τάση τ. Αυτά τα συγκεκριμένα παραδείγματα σας δίνουν μια άλλη μέθοδο σύγκρισης του ρυθμού διάτμησης έναντι του ιξώδους και, μέσω αυτών των μεθόδων ποσοτικοποίησης των διαφορών στην κίνηση υγρών, μπορείτε να κατανοήσετε καλύτερα τη δυναμική αυτών των φαινομένων.

Εφαρμογές ταχύτητας διάτμησης και ιξώδους

Εκτός από τη μελέτη των φυσικών και χημικών φαινομένων των ίδιων των υγρών, ο ρυθμός διάτμησης και το ιξώδες έχουν χρήσεις σε μια ποικιλία εφαρμογών σε ολόκληρη τη φυσική και τη μηχανική. Νευτώνια υγρά που έχουν σταθερό ιξώδες όταν η θερμοκρασία και η πίεση είναι σταθερά επειδή δεν υπάρχουν χημικές αντιδράσεις των αλλαγών στη φάση που συμβαίνουν σε αυτά τα σενάρια.

Τα περισσότερα ρεαλιστικά παραδείγματα υγρών δεν είναι τόσο απλά, όμως. Μπορείτε να υπολογίσετε τα ιξώδη των μη Νευτώνων ρευστών καθώς εξαρτώνται από το ρυθμό διάτμησης. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν συνήθως ροόμετρα για τη μέτρηση της ταχύτητας διάτμησης και των συναφών παραγόντων, καθώς και για την εκτέλεση της ίδιας της διάτμησης.

Καθώς αλλάζετε το σχήμα των διαφόρων υγρών και πώς είναι διευθετημένα σε σχέση με τα άλλα στρώματα υγρών, το ιξώδες μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Μερικές φορές οι επιστήμονες και οι μηχανικοί αναφέρονται στην "φαινόμενο ιξώδες"χρησιμοποιώντας τη μεταβλητή ηΑ ως αυτός ο τύπος ιξώδους. Η έρευνα στη βιοφυσική έδειξε ότι το φαινόμενο ιξώδες του αίματος αυξάνεται ταχύτατα όταν ο ρυθμός διάτμησης πέφτει κάτω από 200 s^-1.

Για συστήματα που αντλούν, αναμιγνύουν και μεταφέρουν ρευστά, το φαινόμενο ιξώδες παράλληλα με τους ρυθμούς διάτμησης δίνει στους μηχανικούς έναν τρόπο κατασκευής προϊόντων στη φαρμακευτική βιομηχανία και την παραγωγή αλοιφών και κρέμας.

Αυτά τα προϊόντα επωφελούνται από τη μη Νευτώνεια συμπεριφορά αυτών των υγρών έτσι ώστε το ιξώδες να μειώνεται όταν τρίβετε την αλοιφή ή την κρέμα στο δέρμα σας. Όταν σταματήσετε το τρίψιμο, η κοπή του υγρού σταματά επίσης έτσι ώστε το ιξώδες των προϊόντων να αυξάνεται και το υλικό να παραμένει σταθερό.