Неньютоновская жидкость — это жидкость , которая не подчиняется закону вязкости Ньютона , то есть имеет переменную вязкость, зависящую от напряжения. В частности, вязкость неньютоновских жидкостей может изменяться под действием силы. Кетчуп , например, при встряхивании становится более жидким и, таким образом, является неньютоновской жидкостью. Многие солевые растворы и расплавленные полимеры являются неньютоновскими жидкостями , как и многие обычно встречающиеся вещества, такие как заварной крем , [1] зубная паста , крахмальные суспензии, кукурузный крахмал , краска , кровь , топленое масло и шампунь .
Чаще всего вязкость (постепенная деформация под действием сдвиговых или растягивающих напряжений ) неньютоновских жидкостей зависит от скорости сдвига или истории скорости сдвига. Однако некоторые неньютоновские жидкости с вязкостью, не зависящей от сдвига, все еще демонстрируют нормальную разницу напряжений или другое неньютоновское поведение. В ньютоновской жидкости связь между напряжением сдвига и скоростью сдвига линейна и проходит через начало координат , причем константа пропорциональности является коэффициентом вязкости . В неньютоновской жидкости связь между напряжением сдвига и скоростью сдвига иная. Жидкость может даже проявлять вязкость, зависящую от времени . Поэтому постоянный коэффициент вязкости определить невозможно.
Хотя понятие вязкости обычно используется в механике жидкости для характеристики сдвиговых свойств жидкости, оно может оказаться недостаточным для описания неньютоновских жидкостей. Их лучше всего изучать с помощью нескольких других реологических свойств, которые связывают тензоры напряжения и скорости деформации во многих различных условиях потока, таких как колебательный сдвиг или поток растяжения, которые измеряются с помощью различных устройств или реометров . Свойства лучше изучать с помощью тензорнозначных материальных уравнений , распространенных в механике сплошной среды .
Вязкость сгущающейся при сдвиге жидкости, т.е. дилатантной , увеличивается, когда увеличивается скорость сдвига. Кукурузный крахмал , суспендированный в воде («облек», см. ниже), является распространенным примером: при медленном размешивании он выглядит молочным, при энергичном размешивании он ощущается как очень вязкая жидкость.
Знакомый пример обратного: жидкость, разжижающая сдвиг , или псевдопластичная жидкость, — это краска для стен : краска должна легко стекать с кисти, когда ее наносят на поверхность, но не капать чрезмерно. Обратите внимание, что все тиксотропные жидкости чрезвычайно разжижаются при сдвиге, но они в значительной степени зависят от времени, тогда как коллоидные жидкости, «разжижающие при сдвиге», мгновенно реагируют на изменения скорости сдвига. Таким образом, во избежание путаницы, последнюю классификацию более четко называют псевдопластической.
Другим примером жидкости, разжижающей сдвиг, является кровь. Это применение пользуется большой популярностью в организме, поскольку позволяет снизить вязкость крови с увеличением скорости деформации сдвига.
Жидкости, которые имеют линейное соотношение между напряжением сдвига и деформацией сдвига, но требуют конечного предела текучести, прежде чем они начнут течь (график зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига не проходит через начало координат), называются пластиками Бингама . Несколько примеров: глиняные суспензии, буровой раствор, зубная паста, майонез, шоколад и горчица. Поверхность пластика Бингама может удерживать пики, когда он неподвижен. Напротив, ньютоновские жидкости в неподвижном состоянии имеют плоские безликие поверхности.
Существуют также жидкости, скорость деформации которых является функцией времени. Жидкости, которым требуется постепенно возрастающее напряжение сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектическими . Противоположным случаем является жидкость, которая со временем разжижается и требует уменьшающегося напряжения для поддержания постоянной скорости деформации ( тиксотропная ).
Многие распространенные вещества демонстрируют неньютоновские течения. К ним относятся: [6]
.JPG/1280px-UniversumUNAM55_(cropped).JPG)
Недорогим и нетоксичным примером неньютоновской жидкости является суспензия крахмала (например, кукурузного крахмала/кукурузной муки) в воде, которую иногда называют «облек», «ил» или «волшебная грязь» (1 часть воды к 1,5). –2 части кукурузного крахмала). [8] [9] [10] Название «облек» происходит от книги доктора Сьюза «Варфоломей и Облек» . [8]
Из-за своих дилатантных свойств ооблек часто используется в демонстрациях, демонстрирующих его необычное поведение. Человек может ходить по большой ванне из облека, не погружаясь, из-за его свойств утолщаться при сдвиге, если человек движется достаточно быстро, чтобы при каждом шаге прикладывать достаточную силу, чтобы вызвать утолщение. Кроме того, если ооблек разместить на большом сабвуфере, работающем на достаточно высокой громкости, он будет утолщаться и образовывать стоячие волны в ответ на низкочастотные звуковые волны, исходящие из динамика. Если бы человек ударил кулаком или ударил облека, он утолщался бы и действовал бы как твердое тело. После удара облек вернется в жидкое, похожее на жидкость состояние.
Флаббер, также широко известный как слизь, представляет собой неньютоновскую жидкость, которую легко получить из клея на основе поливинилового спирта (например, белого «школьного» клея) и буры . Он течет при небольших напряжениях, но разрушается при более высоких напряжениях и давлениях. Такое сочетание свойств жидкости и твердого тела делает ее жидкостью Максвелла . Его поведение также можно охарактеризовать как вязкопластическое или студенистое . [11]
Другим примером потока неньютоновской жидкости является начинка охлажденного карамельного мороженого (при условии, что она содержит гидроколлоиды, такие как каррагинан и геллановая камедь ). Внезапное приложение силы — например, удар по поверхности пальцем или быстрое переворачивание контейнера, в котором он находится, — заставляет жидкость вести себя как твердое тело, а не как жидкость. Это свойство этой неньютоновской жидкости « загустевать при сдвиге ». Более бережное обращение, например медленное введение ложки, оставит его в жидком состоянии. Однако повторная попытка выдернуть ложку приведет к возврату временного твердого состояния. [12]
Silly Putty — это суспензия на основе силиконового полимера , которая течет, подпрыгивает или ломается в зависимости от скорости деформации.
Растительная смола представляет собой вязкоупругий твердый полимер . Если оставить его в контейнере, он будет медленно течь как жидкость, повторяя контуры контейнера. Однако если ударить с большей силой, он расколется как твердое тело.
Зыбучий песок — это разжижающийся при сдвиге неньютоновский коллоид , который в состоянии покоя приобретает вязкость. Неньютоновские свойства зыбучего песка можно наблюдать, когда он испытывает небольшой шок (например, когда кто-то ходит по нему или трясет его палкой), происходит переход между фазами геля и соли и, по-видимому, он разжижается, вызывая появление объектов на поверхности зыбучих песков. тонуть.
Кетчуп — это жидкость, разжижающая сдвиг . [3] [13] Утончение при сдвиге означает, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением напряжения сдвига . Другими словами, движение жидкости изначально затруднено при низких скоростях деформации, но будет течь более свободно при высоких скоростях. Встряхивание перевернутой бутылки с кетчупом может привести к снижению его вязкости за счет разжижения при сдвиге, что облегчит выливание из бутылки.
При определенных обстоятельствах потоки сыпучих материалов можно моделировать как континуум, например, используя реологию μ ( I ) . Такие модели континуума имеют тенденцию быть неньютоновскими, поскольку кажущаяся вязкость зернистых потоков увеличивается с увеличением давления и уменьшается со скоростью сдвига. Основное различие заключается в напряжении сдвига и скорости сдвига.
