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¿Cerca de una-pared dura, en que la dirección hace una partícula esférica rígida moverse cuando un torque positivo se ejerce sobre ella?

Considere la posibilidad de un pequeño y rígido de partículas esféricas de radio $a$ sumergido en un líquido viscoso incompresible fluido Newtoniano de viscosidad de cizallamiento $\eta$ en las cercanías de un duro pared con palo (sin deslizamiento) las condiciones de contorno, que se encuentra en $z=0$. Una constante (externo) de par de torsión $T_x$ aplicada sobre la partícula dirigida a lo largo de la $x$ eje en la dirección positiva. De acuerdo con el bajo número de Reynolds de la hidrodinámica, la partícula de traslación velocidad se calcula como [1] $$ V_y = \mu_{yx}^{tr} \, T_x \, , $$ en $\mu_{yx}^{tr}$ es el de traslación-rotación (tr) de acoplamiento de la movilidad (función de puente entre la velocidad de las partículas en drection $y$ a el par de torsión aplicado en la dirección $x$).

Para $T_x > 0$ (orientado a lo largo de la $x$ eje en la dirección positiva), ¿la velocidad de las partículas $V_y < 0 $ o $V_y > 0$. Mis cálculos conducen a $V_y > 0$, pero me parece que contra intuitivo (la analogía con una esfera que rueda sobre un duro de la pared). De hecho, [2, Eq. (B2)] $$ \mu_{yx}^{tr} = \frac{1}{6\pi\eta a^2} \frac{3}{32} \left( \frac{a}{h} \right)^4 \, , $$ con $h>0$ siendo la distancia entre las partículas del centro y la pared.

Cualquier ayuda sería muy apreciada y nominal

Gracias

Federiko


[1] Kim, S. y Karrila, S. J., Microhydrodynamics: principios y aplicaciones seleccionadas, Courier Corporation (2013)

[2] Swan, J. W. y Brady, J. F., Phys. Fluidos 19, 113306 (2007)

3voto

JMLCarter Puntos 686

Escenario De Un

Su pregunta no definir que la dirección de cualquier movimiento de la partícula hacia la pared (puede ser nulo), o lo que es más importante la zona de la pared que ocupa. Dada su dificultad con el signo soy reacio a asumir el movimiento de las partículas es positiva en la dirección x o que la pared ocupa $x>x_{wall}$
Más coherente con su pregunta podría ser una pared que se encuentra ya sea en $z>z_{wall}$ o $z<z_{wall}$ y cualquier movimiento de las partículas a lo largo de z hacia ella... como entonces el vector de par de torsión en la dirección x crearía rotación que era asimétrica en la dirección y (torsión de la cruz producto de la distancia y la fuerza) a lo largo de la pared, es decir, rodando a lo largo de y, lo que provocaría $V_y$. Cada una de estas opciones tiene un signo distinto para $V_y$.

Escenario B (parece ser que este no es el caso - puede ser eliminado)

Si bien su $T_x$ es una Fuerza a lo largo de x que está causando un par, entonces la dirección de la y coordinar la desviación depende de la dirección de la rotación, que es dependiente de la
no sólo en la dirección de la "fuerza causando par",
pero también en la posición relativa de su punto de aplicación el objeto de su centro de masas.
es decir, si el centro de masa es una por encima de la torsión de la fuerza va a causar la rotación de una manera, si a continuación va a ser de la otra manera. Esto, consecuentemente, los impactos de la señal de la dirección y, y podría ser relevante.
Su pregunta dice que el cuerpo es una esfera de diámetro h, pero no está claro en el "punto de aplicación de la torsión de la fuerza" en relación a la esfera de centro (c, m).

El escenario C (parece ser que este no es el caso - puede ser eliminado)

si su $T_x$ es un componente de un vector de par, entonces el componente interesante para producir rolling dirige a lo largo del eje y sería el que es perpendicular a la superficie de la pared y la conclusión resultante $V_y$. si la pared está en x>0, entonces. Este sería, por $T_z$ ($T_y$ gira perpendicular a y). Todavía no descrito $T_z$ en su pregunta, pero tal vez esto puede ser descartado como en su primera "dado" ecuación que relaciona $V_y$$T_x$. A menos que sea por error, parece menos probable.

Espero que uno de estos será su escenario.


algunos comentarios más tarde...

OK - me Parece Un escenario establecido.

Así que el dilema es que el sentido de rotación es la opuesta a la que se obtendrían de una fricción de contacto de la analogía?

Me imagino que esto es debido a que el movimiento no es debido a la fricción, pero un diferencial de presión. Donde la dirección de la rotación es hacia la pared de la presión será mayor, donde se está lejos de la pared será más baja. Por lo tanto la rotación de la partícula se mueve en la dirección opuesta a la que lo haría si se tratara de rodar sobre la superficie, de alta a baja presión. Cuando/si está en contacto con la superficie o la fricción se convierte en más importante (tal vez debido a la alta viscosidad) que podría cambiar - la dirección y el movimiento podría revertir.
No estoy seguro de que en la interpretación precisa de su $\mu$ hasta el momento, pero teniendo el término inversamente proporcional a $h^4$ admite no ser un efecto de la fricción, y no parece manifiestamente incompatible. Probablemente algo que ver con relativa/aparente de la sección transversal de las áreas del objeto y la obstrucción al flujo alrededor de ella.

2voto

christo16 Puntos 2546

Si su configuración es la misma que en la Pared de las fuerzas sobre una esfera en rotación, un líquido de relleno del cilindro, con el líquido de la rotación de un tambor, luego de los bajos números de Reynolds de la fuerza de $F_W$ sobre la partícula es repulsivo, lejos de la pared.

Citando a partir de la mitad de la página 3 :

... está claro que hay dos mecanismos que contribuyen a $F_W$.

La primera es la distribución de vorticidad en la estela detrás de la esfera. Este se difunde hacia el exterior, pero este proceso es asimétrico debido a la presencia de la pared. Esto conduce a una pared de la fuerza fuera de la pared.

Por otro lado, el acelerado flujo a través de la brecha entre la esfera y la pared produce una fuerza de atracción.

El primer mecanismo es dominante sobre un amplio rango de números de Reynolds.


Editar

La dirección de la velocidad depende del signo de $\mu$ (así como la de $T$), que depende del mecanismo de acoplamiento. por ejemplo, Si la torsión de la hélice está en la +dirección de x, si la hélice se mueve hacia adelante o hacia atrás, o no se mueve del todo depende de cómo las palas de la hélice están orientados.

Pero no veo cómo un signo que sale de (o en) la ecuación de $\mu$ que has publicado.

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