Ứng suất cắt trong chất lỏng là gì?
Ứng suất cắt (\(\tau\)) là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích sinh ra bên trong chất lỏng khi các lớp kề nhau trượt lên nhau. Đối với chất lỏng Newton — chẳng hạn nước, không khí hay các loại dầu nhẹ — ứng suất cắt tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên vận tốc theo phương vuông góc với dòng chảy. Mối quan hệ này được mô tả bằng định luật Newton về độ nhớt và là nền tảng của cơ học chất lỏng, kỹ thuật bôi trơn, dòng chảy trong ống và lưu biến học.
Công thức
Phương trình cơ bản là:
$$\tau = \mu \cdot \frac{du}{dy}$$
trong đó \(\tau\) là ứng suất cắt tính bằng pascal (Pa = N/m²), \(\mu\) là độ nhớt động lực (độ nhớt tuyệt đối) tính bằng Pa·s, và \(du/dy\) là gradient vận tốc (tốc độ cắt) tính bằng s⁻¹ — tức mức thay đổi vận tốc chất lỏng (du, m/s) trên khoảng cách vuông góc với dòng chảy (dy, m).
Cách dùng máy tính
Nhập độ nhớt động lực μ của chất lỏng, hiệu vận tốc du giữa hai lớp chất lỏng (hoặc giữa một tấm chuyển động và một bề mặt đứng yên), và khoảng cách dy giữa chúng. Máy tính sẽ trả về ứng suất cắt cùng tốc độ cắt. Hãy giữ tất cả giá trị ở hệ đơn vị SI để có kết quả tính bằng pascal.
Ví dụ minh họa
Nước (\(\mu = 0{,}001\ \text{Pa}\cdot\text{s}\)) chảy sao cho vận tốc thay đổi một lượng \(du = 2\ \text{m/s}\) trên khoảng cách \(dy = 0{,}01\ \text{m}\). Tốc độ cắt là \(2 / 0{,}01 = 200\ \text{s}^{-1}\), do đó $$\tau = 0{,}001 \times 200 = 0{,}2\ \text{Pa}$$
Câu hỏi thường gặp
Công thức này có dùng được cho chất lỏng phi Newton không? Không. Với các chất lỏng giảm nhớt khi cắt, tăng nhớt khi cắt hay chất lỏng Bingham, độ nhớt thay đổi theo tốc độ cắt nên định luật tuyến tính này không áp dụng được.
Nên dùng đơn vị nào? Hãy dùng hệ đơn vị SI (Pa·s, m/s, m) để có ứng suất cắt tính bằng pascal. Nếu độ nhớt động lực cho theo centipoise (cP) thì cần quy đổi: 1 cP = 0,001 Pa·s.
Tốc độ cắt là gì? Tốc độ cắt (du/dy) cho biết vận tốc thay đổi nhanh đến mức nào theo khoảng cách vuông góc với dòng chảy, đo bằng giây nghịch đảo (s⁻¹).
