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¿La viscosidad es simplemente "ralentizar el tiempo"?

El El experimento de caída de tono tiene brea, un fluido con una viscosidad extremadamente alta, que fluye a través de un embudo. En 85 años, sólo han caído 9 gotas. Las fotografías de las gotas, sin embargo, muestran una apariencia igual a la de las gotas de fluidos con una viscosidad mucho menor como la jalea o el jarabe. De hecho, las gotas de brea parecen gotas regulares "congeladas en el tiempo".

Mi pregunta, entonces, es esta: Todo lo demás siendo igual, ¿el flujo de un fluido de alta viscosidad es el mismo que el de un fluido de baja viscosidad, sólo que más lento? Es decir, si una cámara hubiera estado filmando el experimento de caída de tono durante toda su duración y el material se reprodujera a unos cientos de miles de veces su velocidad de grabación, ¿sería posible distinguir el tono de la miel?

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pentane Puntos 1288

No necesariamente, depende de cuán diferentes sean las viscosidades.

El tío MonkeysUncle acertó. Si el El número de Reynolds es < 2.000 el flujo es laminar; si es > 4.000 el flujo es turbulento . Dado que el número de Reynolds depende de la viscosidad, si la viscosidad de los dos fluidos es lo suficientemente diferente como para cambiar el flujo de laminar a turbulento, entonces no se obtendrían flujos coincidentes simplemente acelerando el video del lento. El agua y el aceite lubricante tienen viscosidades lo suficientemente diferentes como un ejemplo.

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Dai Puntos 375

Es evidente que el tiempo en sí no disminuye, pero la escala de tiempo en la que se forman y caen las gotas depende fuertemente de la viscosidad del fluido. La escala de tiempo para el flujo viscoso a través de una constricción bajo la acción de la gravedad se da a través de argumentos dimensionales como

$$ \tau \sim \nu / (dg) $$

donde $ \nu $ es la viscosidad cinemática del fluido, $d$ es el diámetro de la constricción (es decir, el extremo del embudo en el experimento de caída de tono ) y $g$ es la gravedad.1

Así que, al introducir los valores de brea, agua y jarabe de maíz para la comparación ( viscosidad wiki , tono de densidad , densidad del agua y del jarabe de maíz ) tenemos escalas de tiempo de

Jarabe de maíz : 9.65E-3 s

Agua : 9.11E-6 s

Paso : 2.04E+6 s = 3.4 semanas

basado en un diámetro de 1 cm (mi suposición). Esto no significa que una gota se formará o caerá exactamente en este tiempo, es sólo el tiempo característico para cualquier movimiento en este tipo de sistema. También puede haber otros efectos en el flujo como fuerzas capilares, fuerzas viscoelásticas, etc. que cambiarían la formulación de $ \tau $ pero este es el análisis básico.

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Joce Puntos 1558

Tu pregunta es, en última instancia, sobre la escalada. El escalamiento se explora mejor con ecuaciones no dimensionales.

Veamos una ecuación de caída libre de una masa $m$ en la ausencia de fricción del aire: $$ m \frac {d^2 z}{dt^2} = - m g $$ Obviamente el tiempo de caída de una altura determinada dependerá de la gravedad $g$ . Pero tu pregunta es, ¿será lo mismo hasta un factor de escala en el tiempo? (Por supuesto, en este caso, fácilmente adivinarás que es el caso pero iremos a casos más complejos más tarde)

Se puede no dimensionar definiendo una altura característica $H$ y el tiempo $T$ . Diga $H$ será la altura del campo de visión de su cámara y $T$ el retraso entre dos fotogramas de tu película. Consigues (deshacerte también de $m$ ): $$ \frac {d^2 \tilde z}{d \tilde t^2} = - \frac {g T^2}{H} $$ Aquí, $ \frac {g T^2}{H}$ es un grupo no dimensional que caracteriza la relación entre la inercia y la fuerza de gravedad. Puedes ver fácilmente que, si duplicas $T$ cuando $g$ se divide por 4, se obtiene exactamente el mismo número: la película con $g/4$ con marcos cada $2T$ por lo tanto se verá exactamente igual que el de $g$ y enmarca cada $T$ .

Lo mismo ocurre con un flujo puramente viscoso, si no hay ninguna otra fuerza presente. En lugar de mirar el flujo en sí mismo, veamos una partícula pesada sedimentada en el fluido: su ecuación es $$ \frac {dz}{dt} = \frac {( \rho_p - \rho_f )gd^2}{18 \eta } $$ a la que se puede aplicar el mismo proceso no dimensional.

Ahora introduzcamos una segunda fuerza, por ejemplo, la fricción en la caída libre (o la inercia en la partícula sedimentadora anterior). Tienes 3 términos en la ecuación, como: $$ m \frac {d^2 z}{dt^2} = - c \frac {d z}{d t} - m g $$ Esto significa que construirás dos grupos no dimensionales: uno será $ \frac {c T}{m }$ y el otro $ \frac {g T^2}{H}$ . Esta vez, si $g$ está cambiado, no puedes sintonizar $T$ para mantener todo sin cambios ya que esto modificaría el otro grupo no dimensional. Sólo, si $c$ es tan pequeño que su efecto es insignificante para cualquiera de los dos $g$ o $g/4$ condiciones, entonces el efecto no será visible en su película y puede continuar sintonizando $T$ según $g$ sólo.

Para un flujo viscoso, muchas fuerzas además de las viscosas pueden entrar en juego. La inercia es una de ellas, pero si observamos un flujo de tamaño razonable de miel o brea, la inercia será muy baja en ambos casos.

Lo que en realidad puede ser más relevante son las fuerzas de superficie (tensión interfacial), que no variarán en proporción directa a la viscosidad. Pero se podría tratar de encontrar una especie de miel que tuviera la misma viscosidad a la tensión superficial que el brea, y preservar la escala!

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