Hvordan beregne skjærhastighet

Innhold

• Skjærhastighetsformel
• Skjærspenning
• Andre skjærhastighetsformler
• C-faktor i skjærfrekvens
• Skjærfrekvens kontra viskositet
• Skjærhastighet når du lager skruer
• Applikasjoner for skjærhastighet og viskositet

Å snurre en skje i en kopp te for å blande den, kan vise deg hvor relevant det er å forstå dynamikken i væsker i hverdagen. Å bruke fysikk for å beskrive flyt og oppførsel av væsker kan vise deg de intrikate og kompliserte kreftene som går inn i en så enkel oppgave som å røre en kopp te. Skjærhastigheten er et eksempel som kan forklare væskens oppførsel.

Skjærhastighetsformel

En væske "skjæres" når forskjellige lag av væsken beveger seg forbi hverandre. Skjærhastighet beskriver denne hastigheten. En mer teknisk definisjon er at skjærhastigheten er strømningshastighetsgradienten vinkelrett, eller i rett vinkel, mot strømningsretningen. Det utgjør en belastning på væsken som kan bryte bindinger mellom partikler i materialet, og det er derfor den beskrives som en "skjær".

Når du ser den parallelle bevegelsen til en plate eller et lag av et materiale som er over en annen plate eller et lag som fortsatt er, kan du bestemme skjærhastigheten fra hastigheten til dette laget med hensyn til avstanden mellom de to lagene. Forskere og ingeniører bruker formelen y = V / x for skjærhastighet γ ("gamma") i enheter av s^-1, hastigheten til det bevegelige laget V og avstand mellom lagene m i meter.

Dette lar deg beregne skjærhastighet som en funksjon av bevegelsen til selve lagene hvis du antar at topplaten eller laget beveger seg parallelt med bunnen. Skjærhastighetsenhetene er vanligvis s^-1 til forskjellige formål.

Skjærspenning

Ved å trykke på en væske som for eksempel lotion på huden din, får væskene bevegelse parallelt med huden din og motarbeider bevegelsen som presser væsken direkte på huden. Formen på væsken med hensyn til huden din påvirker hvordan partiklene i lotion brytes opp når de blir påført.

Du kan også relatere skjærhastighet γ til skjærspenningen τ ("tau") mot viskositet, en væskemotstand mot strømning, η ("eta") gjennom γ = η / τ i_n hvilken _τ er de samme enhetene som trykk (N / m² eller pascals Pa) og η i enheter på _ (_ N / m² s). De viskositet gir deg en annen måte å beskrive væskens bevegelse og beregne en skjærspenning som er unik for selve væskestoffet.

Denne skjærhastighetsformelen lar forskere og ingeniører bestemme den iboende naturen til ren belastning på materialene de bruker til å studere biofysikken til mekanismer som elektrontransportkjeden og kjemiske mekanismer som polymerflom.

Andre skjærhastighetsformler

Mer kompliserte eksempler på skjærhastighetsformelen relaterer skjærhastigheten til andre egenskaper ved væsker som strømningshastighet, porøsitet, permeabilitet og adsorpsjon. Dette lar deg bruke skjærhastighet i komplisert biologiske mekanismer, for eksempel produksjon av biopolymerer og andre polysakkarider.

Disse ligningene produseres gjennom teoretiske beregninger av egenskapene til de fysiske fenomenene i seg selv, samt gjennom testing av hvilke typer ligninger for form, bevegelse og lignende egenskaper som passer best til observasjonene av væskedynamikk. Bruk dem til å beskrive væskebevegelse.

C-faktor i skjærfrekvens

Et eksempel, Blake-Kozeny / Cannella korrelasjon, viste at du kan beregne skjærhastighet fra gjennomsnittet av en porestørrelse-simulering mens du justerer "C-faktoren", en faktor som redegjør for hvordan væskegenskapene til porøsitet, permeabilitet, væskerologi og andre verdier varierer. Dette funnet skjedde ved å justere C-faktoren innenfor et område av akseptable mengder som eksperimentelle resultater hadde vist.

Den generelle formen for ligningene for beregning av skjærhastighet forblir relativt den samme. Forskere og ingeniører bruker lagets hastighet i bevegelse delt på avstanden mellom lagene når de kommer med ligninger for skjærhastighet.

Skjærfrekvens kontra viskositet

Mer avanserte og nyanserte formler finnes for testing av skjærhastigheten og viskositeten til forskjellige væsker for forskjellige, spesifikke scenarier. Sammenligning av skjærhastighet kontra viskositet for disse tilfellene kan vise deg når den ene er mer nyttig enn den andre. Å designe selv skruer som bruker romkanaler mellom metalliske spirallignende seksjoner, slik at de lett kan passe inn i design som de er ment for.

Prosessen av ekstrudering, en metode for å lage et produkt ved å tvinge et materiale gjennom åpninger i stålskiver for å danne en form, kan du la spesifikke design av metaller, plast og til og med matvarer som pasta eller kornblanding. Dette har bruksområder for å lage farmasøytiske produkter som suspensjoner og spesifikke medisiner. Ekstruderingsprosessen demonstrerer også forskjellen mellom skjærhastighet og viskositet.

Med ligningen γ = (π x D x N) / (60 x h) for skruediameter D i mm, skruehastighet N i omdreininger per minutt (rpm) og kanaldybde h i mm, kan du beregne skjærhastigheten for ekstrudering av en skruekanal. Denne ligningen er sterkt lik den opprinnelige skjærhastighetsformelen (y = V / x) ved å dele hastigheten på det bevegelige laget med avstanden mellom de to lagene. Dette gir deg også en kalkulator med turtall til skjærhastighet som står for omdreininger per minutt av forskjellige prosesser.

Skjærhastighet når du lager skruer

Ingeniører bruker skjærhastigheten mellom skruen og fatveggen under denne prosessen. I kontrast er skjærhastigheten når skruen trenger inn i stålskiven y = (4 x Q) / (π x R³__) med den volumetriske strømmen Q og hullradius R, som fremdeles ligner den originale skjærhastighetsformelen.

Du beregner Q ved å dele trykkfallet over kanalen AP av polymerviskositeten η, ligner på den opprinnelige ligningen for skjærspenning τ. Disse spesifikke eksemplene gir deg en annen metode for å sammenligne skjærhastighet kontra viskositet, og gjennom disse metodene for å kvantifisere forskjeller i bevegelse av væsker, kan du forstå dynamikken i disse fenomenene bedre.

Applikasjoner for skjærhastighet og viskositet

Annet enn å studere de fysiske og kjemiske fenomenene i selve væsker, har skjærhastighet og viskositet bruksområder i en rekke bruksområder på tvers av fysikk og ingeniørfag. Newtonske væsker som har en konstant viskositet når temperatur og trykk er konstante fordi det ikke er noen kjemiske reaksjoner av faseendringer i disse scenariene.

De fleste eksempler på væsker i virkeligheten er ikke så enkle. Du kan beregne viskositeter for ikke-Newtonsk væske da de er avhengige av skjærhastighet. Forskere og ingeniører bruker vanligvis reometre for å måle skjærhastighet og relaterte faktorer, så vel som å utføre skjæringen selv.

Når du endrer formen til forskjellige væsker og hvordan de er ordnet i forhold til de andre væskelagene, kan viskositeten variere betydelig. Noen ganger refererer forskere og ingeniører til "tilsynelatende viskositet"bruker variabelen ηA som denne typen viskositet. Forskning innen biofysikk har vist at den tilsynelatende blodets viskositet øker raskt når skjærhastigheten faller under 200 sekunder^-1.

For systemer som pumper, blander og transporterer væsker, gir den tilsynelatende viskositeten ved siden av skjærhastighetene ingeniører en måte å produsere produkter i farmasøytisk industri og produksjon av salver og kremer.

Disse produktene drar fordel av den ikke-Newtonianske oppførselen til disse væskene, slik at viskositeten avtar når du gnir salve eller krem ​​på huden din. Når du slutter å gni, stopper også skjæringen av væsken slik at produktens viskositet øker og materialet legger seg.