قيمة العائد: النقطة التي تبدأ فيها السوائل بالتدفق
في مجال ميكانيكا الموائع، يشير مصطلح **قيمة العائد** إلى حد أدنى حرج يجب تجاوزه قبل أن تبدأ السوائل بالتدفق. يُعد هذا المفهوم مهمًا بشكل خاص لفهم سلوك السوائل غير النيوتونية، والتي تنحرف عن العلاقة الخطية البسيطة بين الإجهاد ومعدل الإجهاد الذي تُظهره السوائل النيوتونية.
شرح مبسط
تخيل معجونًا سميكًا أو هلامًا كثيفًا. إذا طبقت قوة صغيرة، فلن يحدث شيء. ستبقى المادة صلبة. ومع ذلك، إذا طبقت قوة كافية، ستبدأ المادة بالتدفق. هذه القوة الحدية هي **قيمة العائد**.
تعريف تقني
بدقة أكثر، تُعد قيمة العائد هي الحد الأدنى من إجهاد القص المطلوب لبدء التدفق في سائل. يُعد إجهاد القص مقياسًا للقوة المؤثرة بشكل مماس على سطح داخل السائل. أقل من قيمة العائد، يتصرف السائل مثل مادة صلبة، ويحافظ على شكله ويقاوم التشوه.
أنواع السوائل وقيمة العائد
- السوائل النيوتونية: هذه السوائل تتبع قانون نيوتن لللزوجة. لديها علاقة خطية بين الإجهاد ومعدل الإجهاد، **ولا** تُظهر قيمة عائد. ومن الأمثلة على ذلك الماء والهواء ومعظم السوائل عند معدلات القص المنخفضة.
- السوائل غير النيوتونية: تُظهر هذه السوائل سلوكًا أكثر تعقيدًا، غالبًا ما يتميز بقيمة عائد. هناك العديد من أنواع السوائل غير النيوتونية، بما في ذلك:
- المواد البلاستيكية بنجهام: تُظهر هذه السوائل قيمة عائد ثم تتصرف مثل السوائل النيوتونية فوقها. ومن الأمثلة على ذلك معجون الأسنان والمايونيز وبعض طين الحفر.
- السوائل شبه اللزجة: تُظهر هذه السوائل انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص. ومن الأمثلة على ذلك الكاتشب والطلاء والدم.
- السوائل المتوسعة: تُظهر هذه السوائل زيادة في اللزوجة مع زيادة معدل القص. ومن الأمثلة على ذلك نشا الذرة المخلوط بالماء والرمال المتحركة وبعض محاليل البوليمرات.
تطبيقات قيمة العائد
يُعد فهم قيمة العائد أمرًا ضروريًا في العديد من التطبيقات، بما في ذلك:
- العمليات الصناعية: في التصنيع، من الضروري التحكم في تدفق ومزج السوائل غير النيوتونية مثل الدهانات والأحبار والبوليمرات.
- علم الأغذية: تؤثر قيمة العائد لمنتجات الأغذية مثل الزبادي والجبن والمربى على نسيجها وشعورها في الفم.
- الهندسة المدنية: تلعب دورًا في تحليل سلوك التربة والخرسانة تحت الإجهاد.
- الصيدلة: يمكن أن تؤثر الخصائص الريولوجية للصيغ الدوائية، بما في ذلك قيمة العائد، على صرفها واستقرارها وإتاحتها حيوياً.
قياس قيمة العائد
يمكن قياس قيمة العائد باستخدام تقنيات ريولوجية متنوعة، مثل:
- قياس اللزوجة: تتضمن هذه الطريقة قياس لزوجة السائل عند معدلات قص مختلفة.
- قياس الرنين التذبذبي: تُطبق هذه التقنية إجهادًا أو إجهادًا جيبياً على السائل وتحليل استجابته.
الاستنتاج
تُعد قيمة العائد مفهومًا أساسيًا في فهم سلوك السوائل، وخاصة السوائل غير النيوتونية. تمثل الحد الأدنى من الإجهاد المطلوب لبدء التدفق، ومعرفة ذلك ضرورية لتطبيقات متنوعة عبر الصناعات. من خلال فهم قيمة العائد والتحكم فيها، يمكننا التنبؤ بسلوك السوائل المعقدة وتحسينه بشكل أفضل في سياقات متعددة.
Test Your Knowledge
Yield Value Quiz
Instructions: Choose the best answer for each question.
1. Which of the following best describes Yield Value? a) The point at which a fluid changes its color. b) The minimum amount of shear stress needed to initiate flow in a fluid. c) The temperature at which a fluid becomes a solid. d) The maximum pressure a fluid can withstand before breaking.
Answer
b) The minimum amount of shear stress needed to initiate flow in a fluid.
2. Which type of fluid does NOT exhibit a yield value? a) Newtonian Fluid b) Bingham Plastic c) Pseudoplastic Fluid d) Dilatant Fluid
Answer
a) Newtonian Fluid
3. Which of the following is an example of a fluid with a yield value? a) Water b) Air c) Toothpaste d) Gasoline
Answer
c) Toothpaste
4. Why is understanding yield value important in industrial processes? a) To determine the color of a product. b) To control the flow and mixing of non-Newtonian fluids. c) To measure the temperature of a fluid. d) To calculate the pressure of a fluid.
Answer
b) To control the flow and mixing of non-Newtonian fluids.
5. Which of the following techniques is NOT used to measure yield value? a) Viscometry b) Oscillatory Rheometry c) Spectrometry d) Shear Stress Measurement
Answer
c) Spectrometry
Yield Value Exercise
Scenario: You are a food scientist developing a new yogurt product. You need to ensure the yogurt has a smooth, creamy texture. You are given two different batches of yogurt: Batch A and Batch B.
Instructions:
- Batch A: Exhibits a yield value of 10 Pa (Pascal).
- Batch B: Exhibits a yield value of 2 Pa (Pascal).
1. Which batch of yogurt will be easier to stir and spread? Explain your reasoning.
Exercice Correction
Batch B will be easier to stir and spread. A lower yield value indicates that less force is required to initiate flow. This means Batch B will require less effort to stir and will spread more easily.
2. Which batch of yogurt will likely have a thicker, more stable texture? Explain your reasoning.
Exercice Correction
Batch A will likely have a thicker, more stable texture. A higher yield value indicates that the yogurt will resist flow more strongly and hold its shape better. This suggests a thicker, more stable texture.
Books
- "Rheology: Principles, Measurement and Applications" by R.W. Whorlow (2006) - A comprehensive text on the principles of rheology, including a dedicated section on yield value and non-Newtonian fluids.
- "Fluid Mechanics" by Frank M. White (2016) - A widely used textbook covering fluid mechanics concepts with chapters dedicated to viscosity, rheology, and non-Newtonian fluids.
- "Introduction to Fluid Mechanics" by Fox, McDonald, & Pritchard (2017) - Another widely used textbook for fluid mechanics, providing a good introduction to rheological properties and non-Newtonian fluids.
Articles
- "Yield Stress and Thixotropy in Foods" by J.L. Kokini et al. (1984) - Discusses the importance of yield value in food processing and texture.
- "A Review of Yield Stress Measurements in Complex Fluids" by A.D. Chesters (2004) - A review paper focusing on the various techniques for measuring yield stress in non-Newtonian fluids.
- "The Influence of Yield Stress on the Flow of Non-Newtonian Fluids in Pipes" by M.F. Escudier et al. (2002) - An article studying the impact of yield stress on fluid flow in pipe systems.
Online Resources
- "Yield Stress" - Encyclopedia of Polymer Science and Technology - A detailed definition and explanation of yield stress from a polymer science perspective.
- "Non-Newtonian Fluid" - Britannica - A general overview of non-Newtonian fluids with examples and descriptions of their properties.
- "Yield Stress Measurement" - Anton Paar - A resource from a leading rheological equipment manufacturer providing information on measuring yield stress.
Search Tips
- "Yield Value in Fluids" + "Rheology": This combination will help you find articles and resources focused on rheology and its applications in understanding yield value.
- "Yield Stress" + "Non-Newtonian Fluids": This search will focus on articles and information related to yield stress specifically in the context of non-Newtonian fluids.
- "Yield Stress Measurement Techniques": This search will help you find resources on different methods used for measuring yield stress in fluids.
Comments