Upload
ita
View
42
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Hoofdstuk 5: Leven in de wereld van lage Reynoldsgetallen (deel 2: pag. 172 en verder). is laag. de externe kracht is dus veel lager dan de kritische kracht, en dus treedt laminaire stroming op. Voor situaties met een hoog Reynoldsgetal is f ext ≈f inertial. is hoog. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Hoofdstuk 5:
Leven in
de wereld van lage Reynoldsgetallen
(deel 2: pag. 172 en verder)
1
Voor situaties met een laag Reynoldsgetal is fext ≈fvisc
is laag.
de externe kracht is dus veel lager dan de kritische kracht,en dus treedt laminaire stroming op.
Voor situaties met een hoog Reynoldsgetal is fext ≈finertial
is hoog.
de externe kracht is nu juist veel hoger dan de kritische kracht;turbulente stroming.
2
Symmetrie t.a.v. tijdsinversie: t => -t
• elke vloeistoflaag is een denkbeeldige vlakke ‘plaat’ die met constante snelheid beweegt
Bij vlakke geometrie:
stationair
V0
dz
x
• op de bodem: v=0
• netto kracht op elke ‘plaat’ = 0
‘laminair uitsmeren’3
Maar ook: het inverse proces!
(‘ontmengen’)
(‘mengen’)
Belangrijk punt:
Newtoniaanse massatraagheid: ‘tijds-reversibel’
Viskeuze kracht:
‘tijds-irreversibel’
Ander voorbeeld:Vergelijking viskeuze vloeistof - vaste stof t.a.v. glij-krachten:
stationair
V0
dz
x
Vloeistof: viskositeit , v (=‘verandering’) géén geheugen niet invariant onder -t
Uit Wet v Hooke (Serway):
Vaste stof: glijmodulus G, ∆z (=‘statische vervorming’) ‘geheugen’ invariant onder -t
stationair
∆z
5
Biologische toepassingen: • bacterieel zwemmen • bloedstroom • viskeuze krachten rond het DNA molecuul
Het probleem voor de zwemmende bacterie:Het effect van een kracht in een viskeuze omgeving wordttenietgedaan door de inverse tijds-geïnverteerde kracht.
Bacterie ‘a’ (peddel) komt niet vooruit(‘ontmenging’)
6
Snelheid peddels (v t.o.v. lichaam)door het water: hangt af van v en u.
In de eerste helft van de cyclus:
Afgelegde afstand:
In de tweede helft van de cyclus:
en
Omdat de peddels terug naar hun beginpositie gaan moet
Hieruit volgt onontkoombaar dat
7
Een periodieke beweging die wél tot voortbeweging leidt is de‘zweepslag’: dit kan met ‘ciliae’ (flexibele draden) of via een‘schroefbeweging’ met ‘flagellae’ (stijve draden)
Idee: de viskeuze kracht op een lange staaf is evenredig met snelheid van de staaf, en met de oppervlakte loodrecht op de snelheidsvector. Gevolg:
cilium
Beweging vnl loodrecht op haar Beweging vnl parallel met haar
8
Fig. 2.109
flagellum Voor een snelheidsvector in
willekeurige richting is de
resulterende viskeuze kracht
niet parallel aan v gericht, maar
altijd dichter naar f
(volgt uit de geometrie). De
bacterie maakt hiervan gebruik.
10
de truc van flaggelae
De flagellum wordt aan de basis door een moleculaire motorin rotatie gebracht, wat leidt tot voortbeweging van de E-coli bacterie
11
Roterende flagellum: werkt als een soort propeller
Merk op dat de netto krachtvector df niet parallel aan v ligt.(krachtcomponenten van df in het xy-vlak vallen allemaal tegenelkaar weg). Hierdoor zal de bacterie zich in de +z-richting voortbewegen (reactiekracht t.g.v. viskositeit vloeistof).
12
Meercelligen kunnen niet via diffusie voedsel door hun lichaamtransporteren. Dat gaat via een vatenstelsel, bijv. de bloedsomloop.
De stroming door de vaten is vnl. laminair.
We passen de Wet van Newton en de viskeuzekrachten op een dunne cylindrische vloeistofmanteltoe op de situatie in evenwicht (constante snelheid)
Stroming door aderen
13
Buis lengte L, straal R, stroming a.g.v. een drukverschil over de buis.
Totale kracht op cylindrische vloeistofschil met dikte dr, straal r:
Gebruik Taylor:
14
Sommeren van de krachten (en uitschrijven Taylor tot 2e orde):
Substitueer:
Stroom door de totale buisdoorsnede per tijdseenheid:
Wet van Poiseuille
Z = de hydrodynamische weerstand van het systeem
is de hydrodynamische vorm van de Wet van Ohm 15
Met Poileuille’s wet kunnen hele stromingsnetwerken wordendoorgerekend. Bijv. drie situaties, gelijk drukverschil:
A Q
A
A2A
Q
Q
4Q
De bloedsomloop:
Z1
Z3
Z2Z4
Z5
Z7
Z6
Z8
Z9
Z10
Z11
Z12
∆p
16
Toepassing op moleculair niveau: DNA replicatie
Model: een lange dunne roterende staaf in een viskeuze omgeving
Vraag: als het lange DNA molecuul roteert, om zich te splitsen, hoeveel viskeuze tegenkracht ondervindt het dan?
17
Voor een vlakke beweging hadden we:
Voor een roterende beweging wordt dit een moment:
De arbeid die nodig is om één volledige rotatie te maken is dan:
Voor een rotatiesnelheid van 600 rad/s en een straal van 1 nm volgtdan
De energie die door één ATP molecuul kan worden geleverdis ongeveer 20kBT = 8•10-20 J.
=> Zolang L < 2mm zal één ATP molecuul de helix een volledige rotatie kunnen laten maken (en dus is het viskeuze verlies verwaarloosbaar!).18