v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Właściwości materii i płyny · 1 min czytania

Lepkość — zadanie: obie płytki poruszają się w tę samą stronę

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Między szerokimi płytkami jest ciecz Newtonowska o η = 0,10 Pa·s. Pole każdej powierzchni styku wynosi A = 0,030 m², a odstęp h = 2,0 mm. Dolna płytka porusza się w prawo z prędkością U₀ = 0,030 m/s, górna z U₁ = 0,070 m/s. Przyjmij ustalony przepływ laminarny, równoległy do płytek, bez poślizgu i bez gradientu ciśnienia.

a) Znajdź prędkość w połowie szczeliny oraz wartość siły lepkości na każdej płytce. b) Obie prędkości zwiększono o 0,050 m/s. Co stanie się z profilem, naprężeniem i siłami? c) Policz łączną moc obu napędów przekazywaną cieczy w pierwszym stanie, uwzględniając znaki pracy.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Warunki brzegowe to teraz u(0) = U₀ i u(h) = U₁. Gradient zależy od U₁ − U₀. Ciecz hamuje szybszą płytkę i przyspiesza wolniejszą, więc napędy nie wykonują pracy tego samego znaku.

Rozwiązanie

1. Profil zaczyna się od niezerowej wartości

Prosta łącząca warunki brzegowe ma postać:

u(y)=U_0+(U_1-U_0)\frac{y}{h}.

W połowie szczeliny u(h/2) = (0,030 + 0,070)/2 = 0,050 m/s. Nie można przyjąć U₁/2, ponieważ dolna płytka nie spoczywa.

2. Liczy się różnica prędkości

Różnica wynosi 0,040 m/s, a odstęp 0,0020 m. Otrzymujemy:

\dot\gamma=\frac{0{,}040}{0{,}0020}=20\ \mathrm{s^{-1}},\quad \tau=2{,}0\ \mathrm{Pa},\quad F=0{,}060\ \mathrm N.

Ciecz działa na górną płytkę w lewo, a na dolną w prawo. Siły mają jednakowe wartości, bo przy stałym naprężeniu pola są jednakowe. Aby zachować ustalone prędkości, napęd górnej płytki działa w prawo, a układ sterujący dolną musi działać w lewo.

3. Przesunięcie całego profilu

Po dodaniu 0,050 m/s nowe prędkości brzegowe wynoszą 0,080 i 0,120 m/s, a w środku 0,100 m/s. Różnica pozostaje równa 0,040 m/s. Nachylenie, naprężenie i wartości sił się nie zmieniają. Model lepkości nie może zależeć od wyboru układu odniesienia poruszającego się ze stałą prędkością.

4. Dwa napędy, dwa znaki pracy

W pierwszym stanie napęd górnej płytki dostarcza 0,060·0,070 = 0,0042 W. Na dolnej płytce zewnętrzna siła jest przeciwna do prędkości, więc moc przekazana przez ten napęd wynosi −0,060·0,030 = −0,0018 W. Układ sterujący dolną odbiera energię.

P_{\mathrm{razem}}=F(U_1-U_0)=0{,}060\cdot0{,}040=0{,}0024\ \mathrm W.

W cieczy rozpraszane są 2,4 mW. Dodanie wartości bezwzględnych mocy dałoby 6,0 mW i naruszyłoby bilans pracy. Po wspólnym zwiększeniu obu prędkości łączna moc pozostaje taka sama, choć moce poszczególnych napędów się zmieniają.

Powiązana teoria

Lepkość Newtonowska: siła zależy od gradientu prędkości

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Liczy się różnica prędkości

Najpierw przewiduj: Dodaj tę samą prędkość obu płytkom. Czy zmienią się naprężenie i moc rozpraszana na jednostkę powierzchni?

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Warstwa cieczy między poruszającymi się płytkami i gradient prędkości.
Warstwa cieczy między poruszającymi się płytkami i gradient prędkości. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

η = 0,1 Pa·s, h = 0,001 m, U₂ − U₁ = 0,5 m/s: gradient wynosi 500 s⁻¹, naprężenie 50 Pa, a moc rozpraszana na jednostkę powierzchni 25 W/m².

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Dla cieczy Newtonowskiej między równoległymi płytkami u(y)=U_1+(U_2-U_1)\frac yh,\quad\tau=\eta\frac{U_2-U_1}{h}. Znak τ opisuje kierunek naprężenia przenoszącego ruch szybszej warstwy na wolniejszą; siła oporu na płytkę ma przeciwny zwrot do jej ruchu względem drugiej płytki.

Moc rozpraszana na jednostkę powierzchni wynosi η(U₂ − U₁)²/h i jest nieujemna. Stały ruch obu płytek z taką samą prędkością nie ścina cieczy. Model zakłada warunki ustalone, brak gradientu ciśnienia, stałą lepkość, brak poślizgu przy ściankach oraz pomijalne efekty brzegowe. Nie opisuje dowolnej gęstej cieczy nienewtonowskiej.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.