A taxa de cisalhamento ou " gradiente de velocidade " ou " taxa de cisalhamento ", símbolos ( ponto gama ) ou D, mede o cisalhamento aplicado dentro de um fluido . Depende da tensão de cisalhamento e da natureza do fluido. O gradiente de velocidade descreve a variação espacial na velocidade do fluxo .
A viscosidade é a propriedade física intrínseca que envolve dependência entre as taxas de tensão e deformação , neste caso entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento.
Os viscosímetros tipo Brookfield são amplamente utilizados tanto em laboratório quanto na produção. O princípio básico é baseado na medição do torque (proporcional à tensão de cisalhamento) necessário para manter constante a velocidade angular de rotação (proporcional à velocidade de cisalhamento) de um corpo em movimento imerso em um fluido, e deduzir a partir daí proporcionalmente a viscosidade (relativa) . Este modo é denominado (velocidade de) tesouras impostas.
A viscosidade de um produto com comportamento não newtoniano depende da taxa de cisalhamento usada para a medição e pode, além disso, depender da história do escoamento. O uso de um dispositivo sofisticado é neste caso necessário.
Para materiais consistentes, como fundidos , betumes ou resinas , é possível medir a viscosidade de uma amostra com uma taxa de cisalhamento muito baixa.
Reômetros rotativos de gradiente de alta velocidade são, por exemplo, destinados a testes de simulação de aplicação por pincel, rolo, pistola de pulverização, etc. de tintas , adesivos e outros revestimentos para laboratórios industriais.
Considere-se uma veia de fluido s' fluidas laminarmente ( Couette fluxo : a velocidade de distribuição na conduta segue uma lei linear) entre duas placas paralelas, uma das quais se move a uma velocidade constante e a outra é fixa. É possível fazer uma analogia com as cartas de um baralho quando se empurra a carta do topo. Para um movimento laminar plano, temos as seguintes relações
com:
= deformação relativa do fluido após um tempo d t , quantidade adimensional ; = deslocamento do fluido, em m; = altura da zona de cisalhamento (entreferro), em m; = velocidade da placa móvel, em m s −1 ; = tempo; = taxa de deformação (definida como deformação por unidade de tempo), em s −1 ; = tensão de cisalhamento , tangencial à superfície A, em Pa ; = força tangencial à superfície A, em N ; = área da camada de fluido plana, em m 2 .A relação mostra que:
O gradiente de velocidade no fluido é constante (= ) e perpendicular à velocidade
com x = direção de cisalhamento e
O entreferro é pequeno, fixo e depende . O entreferro é pequeno perto do truncamento: esta geometria não é adequada para fluidos com um diâmetro médio alto de “partículas” ou cargas . Os reômetros cone-placa são geralmente usados para medições de viscosimetria porque fornecem viscosidade absoluta. Isso pode ser medido rapidamente a partir de um pequeno volume de amostra (aprox. 1 ml ).
Existem outros tipos de geometria: capilar, Mooney-Ewart, folga dupla, etc.
A viscosidade dinâmica , de um fluido newtoniano é dada pela equação
,a viscosidade dependendo por definição da temperatura e pressão; depende da composição química da amostra se não for uma substância pura .
A viscosidade de fluidos não newtonianos também depende da natureza físico-química da amostra, da taxa de cisalhamento (falamos de viscosidade aparente , medida a uma dada taxa de cisalhamento) e, possivelmente, do tempo e do histórico do fluxo.
No limite de gradientes de baixa velocidade (ou frequências de baixa tensão, se a medição em oscilação), a viscosidade é equivalente à viscosidade em fluxo contínuo ( 1 r placa newtoniano).
Existem dois tipos de fluidos não newtonianos cuja viscosidade aparente depende do tempo, se submetidos a um gradiente de velocidade constante (ou tensão de cisalhamento):
Viscosidade é a força de atrito entre cada camada do fluido submetida a tensão tangencial.
É medido em segundos pascais ( Pa s ) no sistema SI ; na prática, expressa em poises (símbolo P ou Po) no sistema CGS ou em centipoise ( cP ), com a correspondência: 1 mPa s = 1 cP .
Há uma equivalência entre tensão em (taxa de) cisalhamento imposto e tensão em tensão imposta (dois modos possíveis de medição): a aplicação de uma taxa de cisalhamento a um fluido causa uma tensão e vice-versa, a aplicação de uma tensão causa cisalhamento. Um reômetro rotativo impõe à amostra como uma tensão:
A quantidade complementar é medida. Em todos os casos, o cisalhamento é aplicado à amostra.
As velocidades rotacionais impostas pelos viscosímetros são as mais comuns. Para ilustrar este caso, consideramos um viscosímetro com rotação simples. Este dispositivo impõe, por meio de um motor síncrono de precisão, um movimento rotacional a um corpo móvel imerso em um fluido e mede a força necessária para vencer a resistência oferecida a essa rotação. Este torque resistente é medido por meio de uma mola em espiral feita de liga de cobre e berílio . O grau de compressão da mola é proporcional à viscosidade do fluido.
Os sistemas de medição de geometria conectam proporcionalmente os ajustes físicos de magnitudes (como reômetro , viscosímetro , analisador de viscosidade , dinamômetro ) às grandezas reológicas intrínsecas (viscosidades, módulos).
No caso considerado, para um sistema de medição (viscosímetro mais móvel) e uma dada velocidade de rotação, a viscosidade do líquido é igual à porcentagem da escala de torção multiplicada por um fator . Um exemplo de uma tabela de valores relativos a um sistema de medição é dado abaixo:
Velocidade de rotação selecionada (rpm) |
Carteiro |
---|---|
0,3 | 200 |
0,6 | 100 |
1,5 | 40 |
3 | 20 |
6 | 10 |
12 | 5 |
30 | 2 |
60 | 1 |
Exemplo: uma medição é realizada a 6 rpm (taxa de cisalhamento imposta, não determinada), a leitura na escala graduada de 0 a 100 do viscosímetro indica 75; a viscosidade Brookfield medida sob certas condições é, portanto, igual a 750 cP .
É possível calibrar um viscosímetro com padrões de viscosidade (óleos de silicone, termoestáveis ). Eles cobrem uma ampla faixa de viscosidade para serem adequados para todos os modelos de viscosímetro.
Para um fluido de determinada viscosidade, a resistência à rotação será tanto maior quanto o tamanho da parte móvel (superfície de contato) ou a velocidade de rotação (relacionada proporcionalmente ao gradiente de velocidade) aumentará. Segue-se:
As medições realizadas com um mesmo corpo móvel em diferentes velocidades permitem avaliar as propriedades e o comportamento reológico da amostra ( fluido newtoniano , reofluidificação , etc. ).
No caso de um líquido newtoniano, a variação da tensão e da taxa de cisalhamento são simultâneas.
Um importante comportamento não newtoniano é a viscoelasticidade . No caso de um líquido viscoelástico, há um deslocamento entre a variação da tensão e a da taxa de cisalhamento: esse tempo é chamado de tempo de relaxamento do líquido. Veja também Maxwell e Silly Putty Viscoelastic Fluid Model .
Existem outros modos de fluxo: fluidos de espessamento de cisalhamento (fluidos de espessamento de cisalhamento ; o termo “dilatante” às vezes é encontrado em francês; por exemplo: areia úmida), fluidos de Bingham , fluidos tixotrópicos e antitixotrópicos.
Esses reogramas descrevem a capacidade do material de resistir ao fluxo em função da taxa de cisalhamento. A curva de fluxo é obtida levando-se a tensão tangencial em função da taxa de cisalhamento. A curva de viscosidade é obtida traçando a viscosidade dinâmica como uma função da taxa de cisalhamento.
Os gradientes de velocidade são indicadores da rapidez com que um material pode ser deformado.
Observe que as ordens de magnitude dos gradientes de velocidade dados na literatura variam de uma fonte para outra.
Processo ou instrumento | Gradientes de velocidade típicos ( s -1 ) |
---|---|
Sedimentação , fluência | 10 −6 - 10 −4 |
Espalhando (ou esticado) | 10 −2 - 10 −1 |
Pingando, pingando * | 10 −2 - 10 1 |
Rotação do reômetro ** | 10 0 - 10 3 |
Misturar, bombear, escovar | 10 1 - 10 2 |
Mastigação, extrusão | 10 1 - 10 5 |
Injeção | 10 3 - 10 7 |
Pulverização (ou spray ) | 10 3 - 10 6 |
Os viscosímetros flow * , instrumentos simples e econômicos, baseiam-se no princípio do fluxo gravitacional; geralmente medem o tempo de fluxo expresso em segundos (s) ou a viscosidade cinemática , em stokes (St) ou centistokes (cSt). Eles permitem o controle rápido de produtos líquidos como tintas, vernizes e tintas . Essa técnica de medição inclui a família de copos de fluxo ( viscosímetros empíricos ) (também chamados de copos consistométricos ou copos de viscosidade, como o copo Zahn , comumente usado em verificações pontuais de consistência), viscosímetros de bolha e medidores especiais.
O reômetro rotacional ** permite estudar fundamentalmente as propriedades do fluxo.
Instrumento | Gradientes de velocidade elongacional típicos ( s -1 ) |
---|---|
Capilar de fluxo forçado reómetro | 10 0 - 10 4 |
Reômetros capilares rotacionais e de fluxo forçado são complementares. Este último permite acessar as propriedades de alongamento ( viscosidade de alongamento , etc.) e simular conformações que requerem gradientes de alta velocidade (bombeamento, extrusão , pulverização, etc. ); o fluido é empurrado através de uma matriz de dimensões conhecidas por meio de um pistão cuja velocidade é controlada.
Copo Ford, orifício capilar ⌀ 4 mm.
Calibre Daniel
Reômetro capilar de fluxo forçado (denominado alta pressão).