Apa yang membuat kue di kopi saya tidak bergerak saat saya memutar cangkir?
Saya menjatuhkan kue cokelat di cangkir kopi saya, awalnya tenggelam tetapi kemudian muncul setelah beberapa menit. Saya mencoba untuk memutar cangkir untuk memancing keluarnya kue, tetapi kue itu macet di tempatnya.
Silakan lihat video di bawah ini dan beri tahu saya apa yang membuat cookie tidak bergerak?
https://www.youtube.com/watch?v=18CdFAzD0XI
Jawaban
Tentu saja jawaban seperti 'itu karena viskositas rendah' bagus, tapi bagus juga untuk memperumit masalah ini.
Anda tidak sedang memutar cangkir
Cookie memang berputar / bergerak dalam arti tertentu tetapi hanya sedikit. Alasan kue tidak banyak berputar adalah karena Anda sebenarnya tidak memutar cangkir. Sebaliknya, Anda memutar cangkir sebentar, yang merupakan percepatan pendek cangkir dan kemudian perlambatan pendek cangkir. Jika Anda membuat cangkir berputar terus menerus maka kue pada akhirnya akan mendekati situasi untuk bergerak dengan kecepatan yang sama dengan cangkir.
Korelasi antara gerakan dan gaya
Anda dapat mengartikan 'mengapa cookie tidak bergerak / dipercepat' sebagai 'mengapa cookie tidak bergerak / dipercepat secara bersamaan dengan gaya yang saya terapkan pada cangkir'. Sebuah analogi yang menarik (dan alasan mengapa saya memposting jawaban kental ini) adalah dalam analisis mekanis dinamis yang menggunakan tegangan osilasi untuk menentukan perilaku viskoelastik material.
Jika Anda akan mengubah gerakan Anda dalam pola biasa, maka Anda mendapatkan bahwa cookie juga akan berosilasi. Berapa banyak dan dengan cara apa ia berosilasi akan bergantung pada dua faktor:
Seberapa banyak akan bergantung pada modulus kompleks. Rasio gaya yang diterapkan untuk mencapai beberapa deformasi dan jumlah / amplitudo / ukuran deformasi.
Dengan cara apa akan tergantung pada perilaku viskoelastik material. Untuk cairan, Anda mendapatkan bahwa gaya terkait dengan gaya inersia dan percepatan cangkir dan isinya (yang tertinggi di tengah osilasi saat kecepatan lebih tinggi). Untuk bahan elastis / padat Anda akan mendapatkan bahwa gaya berhubungan dengan gaya elastis dan akan tinggi pada titik akhir osilasi.
(tentu saja Anda mendapatkan juga percepatan cangkir yang elastis / padat, tetapi bayangkan cangkir kopi adalah cangkir plastik dengan berat yang dapat diabaikan)
Memindahkan cookie
Jadi Anda bisa mendapatkan cookie untuk bergerak / berosilasi, tetapi Anda hanya perlu menerapkan gaya yang cukup besar karena Anda memiliki material dengan modulus kompleks rendah (apakah itu materi cair atau tidak, tidak masalah).
Yang membuat aneh secara intuitif bahwa cookie tidak berputar adalah efek psikologis:
Anda harus menerapkan kekuatan yang besar.
Tenaga besar ini diperlukan untuk memindahkan cangkir yang berat.
Jika Anda akan memindahkan plastik yang sangat ringan ke atas dan menerapkan gaya atau daya yang sama maka Anda akan membuat cairan dan kue bergerak lebih banyak. Atau, untuk pergerakan cookie yang sama, Anda membutuhkan lebih sedikit tenaga.
Viskositas kopi yang rendah berarti Anda dapat memutar cangkir tanpa memindahkan cairan yang dikandungnya secara signifikan: tidak ada cukup gesekan untuk 'menyeret' cairan ke dinding cangkir.
Lain halnya dengan cairan kental seperti minyak atau madu yang encer.
Ini berguna untuk mengingatkan kita tentang viskositas Newtonian $\mu$ sebenarnya.
( Sumber )
Untuk $\mu \approx 0$ kemudian $\tau \approx 0$, sehingga tegangan geser (gesekan) tidak cukup untuk membuat kandungan cairan pada cangkir berputar.
Air tidak berputar dengan cangkir Anda karena air itu cair. air yang menyentuh cangkir bergerak sedikit tetapi air tidak menjauh dari cangkir. gesekan antara molekul air yang berbeda sangat kecil.
Saat Anda memindahkan cangkir, ada gaya perekat lemah yang bekerja antara cairan dan mug sehingga cairan dapat diperlakukan sebagai benda terpisah yang tidak berputar.
Karena kita melihat cookie itu tenggelam dan akhirnya naik karena gaya apung. Cookie ini berada dalam media yang dengan sendirinya diam sehingga tidak ada alasan untuk bergerak, berputar
tambahan
Saat Anda menghentikan cangkir agar tidak berputar, Anda akan melihat cairan mulai bergerak dan begitu pula cookie. Sekarang ini berasal dari kekekalan momentum sudut
Cara lain untuk melihat viskositas adalah sebagai semacam "konduktivitas momentum". Seperti halnya isolator termal, dengan konduktivitas panas rendah, mentransfer panas hanya secara perlahan (meskipun lebih cepat semakin besar perbedaan suhu), fluida dengan viskositas rendah mentransfer momentum hanya dengan sangat lambat (meskipun semakin cepat semakin besar perbedaan momentum). (Ini bekerja secara matematis untuk momentum samping / geser, dan mungkin jenis lainnya.)
Benda padat kaku seperti cangkir terbuat dari viskositas sangat tinggi menurut definisi: Tekan bagian mana pun dengan tangan Anda dan momentum menyebar ke seluruh benda padat dengan segera (dengan kecepatan yang terkait dengan kecepatan gelombang P dan S dari suara I tersangka). Kopi di sisi lain memiliki viskositas rendah, jadi, meskipun sejumlah kecil putaran sangat lambat sampai ke cookie, itu sangat lambat sehingga Anda hampir tidak menyadarinya di video.
Seperti yang disinggung oleh Kian Maleki, asal mula mikroskopis dari viskositas berasal dari gaya antar molekul (atau atom atau ion). Gas hanya dapat mengirimkan momentum melalui tumbukan, yang menyebabkan viskositas yang sangat rendah; cairan memiliki gaya dorong konstan dan gaya tarikan konstan satu sama lain, tetapi masih mudah meluncur melewati satu sama lain tanpa mentransmisikan momentum sepenuhnya, yang menyebabkan viskositas sedang; dan padatan memiliki gaya kuat yang menahan molekul dalam susunan khusus mereka yang membutuhkan banyak gaya untuk berubah, menyebabkan viskositas yang sangat tinggi.