Vloeistofmechanica verklaart visco-elastische verschijnselen die we elke dag zien, zoals waarom water pijn doet als het je hand raakt en waarom je op een zetmeelrijke oplossing kunt lopen zonder te zinken.
Heb je ooit geprobeerd met je buik naar het wateroppervlak te duiken bij een zwembad of op het strand, of je hand plat te maken om water te spetteren terwijl je in het water speelde en hard op het water sloeg? In een experiment in de Curiosity Heaven van SBS, waarbij zetmeel werd opgelost in water en iemand er bovenop liep, werd aangetoond dat als de rollator rolde of rondliep zonder te stoppen, de zetmeeloplossing niet in het water zou zinken, maar als de wandelaar een tijdje stilstond, zakte het water als een moeras. Als je dit fenomeen niet kent, kun je gemakkelijk denken dat als iemand van een brug over de Han-rivier valt, de meesten van hen zullen verdrinken en sterven, maar in feite is het zo dat, gezien de hoogte van de brug tot het wateroppervlak van de Han-rivier ongeveer 40 tot 50 meter bedraagt, verschilt de kracht die het vallende voorwerp voelt op het moment dat het het wateroppervlak raakt niet veel van de impact die wordt gevoeld wanneer het op dezelfde hoogte op het asfalt valt, dus doden en ongevallen als gevolg van breuken en breuken zijn een groter probleem.
Wanneer we een stof bestuderen, denken we vaak aan elasticiteit en viscositeit als twee afzonderlijke eigenschappen, en wanneer de stof stroomt of verandert, bestuderen we de eigenschappen ervan op basis van de elasticiteit ervan als we het als een vaste stof waarnemen, of de viscositeit als we het als een vaste stof waarnemen. een vloeistof. Of omgekeerd: we bepalen of elasticiteit of viscositeit dominanter is, en dat bepaalt of de stof vast of vloeibaar is. Zoals je echter uit de bovenstaande voorbeelden kunt zien, hebben we, wanneer we het gedrag van echte materialen van dichtbij bekijken, zowel vaste als vloeibare eigenschappen. Daarom gebruiken we in de vloeistofmechanica een eigenschap die visco-elasticiteit wordt genoemd om elasticiteit en viscositeit te combineren. Dankzij deze visco-elasticiteit kunnen we een breed scala aan materialen bestuderen zonder beperkt te zijn tot een specifiek gebied. Bij het bestuderen van zowel vaste stoffen als vloeistoffen gebruikt de vloeistofdynamica het Deborah-getal (De) om de tijdschaal kwalitatief te beschrijven, zoals hieronder weergegeven.
Waar t de intrinsieke karakteristieke tijd van de substantie is en T de karakteristieke tijd van het externe veranderingsproces, verwijst de intrinsieke karakteristieke tijd van de substantie naar de relatieve tijd die elke substantie heeft. Voor vloeibaar water ligt t bijvoorbeeld doorgaans in de orde van seconden, terwijl smeermiddelen die de oppervlakken van tandwielen in machines bedekken in de orde van seconden liggen, en polymeren die worden gebruikt om kunststoffen te vormen in de orde van seconden liggen. Op dit niveau gaat het gedrag van vloeistoffen verder dan dat van eenvoudig stroperige vloeistoffen en begint het de kenmerken van elastische vaste stoffen te vertonen.
Voor hetzelfde materiaal: als De groot is, gedraagt het zich als een vaste stof, en als het klein is, gedraagt het zich als een vloeistof. In het bovenstaande voorbeeld, waar we heel hard op het water slaan, is de waarde van T kleiner dan de waarde van T wanneer we normaal gesproken onze handen in stilstaand water onderdompelen om onze handen te wassen of ons gezicht te wassen, dus de waarde van De is groter in In dit geval voelt het water “steviger” aan dan we normaal voelen. Aan de andere kant is de snelheid van een voorwerp dat in vrije val valt van een hoogte van 50 meter voordat het uiteindelijk het wateroppervlak raakt veel hoger, dus de waarde van T is veel kleiner en de impact is veel groter. We kunnen ook uitleggen dat een oplossing van zetmeel in water, dat stroperiger is dan zuiver water, een grotere waarde van T zal hebben dan water, in welk geval het visco-elastisch genoeg is zodat iemand die erop loopt niet zal vallen. Als je echter stilstaat, wordt T groter en De kleiner, en keert de zetmeeloplossing terug naar zijn ‘normale’ vloeibare toestand.
Dit is een interessant fenomeen dat in het dagelijks leven te zien is, en kwalitatief onderzocht door middel van vloeistofdynamica. Het is niet moeilijk om om ons heen vaste stoffen te vinden die in vloeistoffen veranderen, en vloeistoffen die in vaste stoffen veranderen. Als je denkt aan het uitknijpen van tandpasta, is er een knelpunt waarbij de tandpasta in de tandpastatube plotseling smaller wordt, wat in chemische processen een vernauwde tube wordt genoemd. Omgekeerd zijn er andere soorten buizen, zoals buizen die plotseling uitzetten nadat ze door een smalle buis zijn gegaan, rechte buizen en bochten die de richting van de vloeistofstroom veranderen. Vloeistofdynamica helpt ons de vloeistofstroom in deze leidingen kwantitatief te voorspellen en te berekenen, zoals hoe snel deze moet stromen om vastlopen te voorkomen, hoeveel druk er moet worden uitgeoefend bij de inlaat en hoeveel druk er moet worden uitgeoefend bij de uitlaat om de uitstroom. De studie van vloeistoffen is essentieel in de chemische industrie, een grootschalige industrie, te beginnen met polymeren voor het gieten van kunststoffen, en daarom is vloeistofmechanica een onmisbare basisdiscipline in de chemische technologie.
