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 воздействием силы. Кетчуп , например, становится более жидким при встряхивании и, таким образом, является неньютоновской жидкостью. Многие солевые растворы и расплавленные полимеры являются неньютоновскими жидкостями , как и многие распространенные вещества, такие как заварной крем , [1] зубная паста , крахмальные суспензии, кукурузный крахмал , краска , кровь , топленое масло , мед 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, независимой от сдвига, все еще демонстрируют нормальные разности напряжений или другое неньютоновское поведение. В ньютоновской жидкости соотношение между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига является линейным, проходящим через начало координат , причем константа пропорциональности является коэффициентом вязкости . В неньютоновской жидкости соотношение между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига иное. Жидкость может даже демонстрировать зависящую от времени вязкость . Поэтому постоянный коэффициент вязкости не может быть определен.
Хотя понятие вязкости обычно используется в механике жидкости для характеристики сдвиговых свойств жидкости, оно может быть недостаточным для описания неньютоновских жидкостей. Они лучше всего изучаются с помощью нескольких других реологических свойств, которые связывают тензоры напряжений и скоростей деформаций при многих различных условиях течения, таких как колебательный сдвиг или объемный поток, которые измеряются с помощью различных устройств или реометров . Свойства лучше изучать с помощью тензорнозначных конститутивных уравнений , которые распространены в области механики сплошных сред .
Для вязкости неньютоновских жидкостей существуют псевдопластичные , пластичные и дилатантные течения, которые не зависят от времени, а также тиксотропные и реопектические течения, которые зависят от времени.
Вязкость сдвиговой загустевающей – т. е. дилатантной – жидкости, по-видимому, увеличивается при увеличении скорости сдвига. Кукурузный крахмал, взвешенный в воде («oobleck», см. ниже), является распространенным примером: при медленном перемешивании он выглядит как молоко, при интенсивном перемешивании ощущается как очень вязкая жидкость.
Знакомый пример противоположности, жидкости, разжижающейся при сдвиге , или псевдопластичной жидкости, — это краска для стен : краска должна легко стекать с кисти при нанесении на поверхность, но не капать чрезмерно. Обратите внимание, что все тиксотропные жидкости чрезвычайно разжижаются при сдвиге, но они существенно зависят от времени, тогда как коллоидные жидкости «разжижающиеся при сдвиге» мгновенно реагируют на изменения скорости сдвига. Таким образом, чтобы избежать путаницы, последняя классификация более четко называется псевдопластичной.
Другим примером жидкости, разжижающей сдвиг, является кровь. Это применение очень популярно в организме, поскольку позволяет снизить вязкость крови с увеличением скорости деформации сдвига.
Жидкости, которые имеют линейную зависимость напряжения сдвига/деформации 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 — глинистые суспензии, буровой раствор, зубная паста, майонез, шоколад и горчица. Поверхность пластика Бингама может удерживать пики, когда она неподвижна. Напротив, ньютоновские жидкости имеют плоские безликие поверхности, когда неподвижны.
Существуют также жидкости, скорость деформации которых является функцией времени. Жидкости, которым требуется постепенно увеличивающееся напряжение сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектическими . Противоположным случаем этого является жидкость, которая со временем становится тоньше и требует уменьшающегося напряжения для поддержания постоянной скорости деформации ( тиксотропная ).
Многие обычные вещества демонстрируют неньютоновские потоки. К ним относятся: [6]
.JPG/1280px-UniversumUNAM55_(cropped).JPG)
Недорогим, нетоксичным примером неньютоновской жидкости является суспензия крахмала (например, кукурузного крахмала/кукурузной муки) в воде, иногда называемая «ублеком», «илом» или «волшебной грязью» (1 часть воды на 1,5–2 части кукурузного крахмала). [8] [9] [10] Название «ублек» происходит от книги доктора Сьюза «Варфоломей и Ублек» . [8]
Из-за своих дилатантных свойств oobleck часто используется в демонстрациях, которые демонстрируют его необычное поведение. Человек может ходить по большой ванне oobleck, не тонув, благодаря его свойствам загустевания при сдвиге , пока человек движется достаточно быстро, чтобы приложить достаточно силы с каждым шагом, чтобы вызвать загустение. Кроме того, если oobleck поместить на большой сабвуфер, работающий на достаточно высокой громкости, он загустеет и образует стоячие волны в ответ на низкочастотные звуковые волны из динамика. Если человек ударит или ударит oobleck, он загустеет и будет вести себя как твердое тело. После удара oobleck вернется в свое жидкое состояние.
Флаббер, также известный как слизь, является неньютоновской жидкостью, которую легко приготовить из клеев на основе поливинилового спирта (например, белого «школьного» клея) и буры . Она течет при низких напряжениях, но разрушается при более высоких напряжениях и давлениях. Это сочетание свойств жидкости и твердого тела делает ее жидкостью Максвелла . Ее поведение также можно описать как вязкопластичное или желатиновое . [11]
Другим примером течения неньютоновской жидкости является охлажденная карамельная глазурь для мороженого (при условии, что она содержит гидроколлоиды, такие как каррагинан и геллановая камедь ). Внезапное приложение силы — например, удар пальцем по поверхности или быстрое переворачивание контейнера, в котором она находится, — заставляет жидкость вести себя как твердое тело, а не как жидкость. Это свойство « загустевания при сдвиге » этой неньютоновской жидкости. Более мягкое обращение, например, медленное введение ложки, оставит ее в жидком состоянии. Однако попытка выдернуть ложку обратно вызовет возврат временного твердого состояния. [12]
Silly Putty — это суспензия на основе силиконового полимера , которая может течь, отскакивать или ломаться в зависимости от скорости деформации.
Растительная смола — это вязкоупругий твердый полимер . Если оставить ее в контейнере, она будет медленно течь как жидкость, чтобы соответствовать контурам своего контейнера. Однако, если ударить с большей силой, она разобьется как твердое тело.
Зыбучий песок — это неньютоновский коллоид , разжижающийся при сдвиге , который приобретает вязкость в состоянии покоя. Неньютоновские свойства зыбучего песка можно наблюдать, когда он испытывает легкий удар (например, когда кто-то ходит по нему или перемешивает его палкой), переходя из фазы геля в фазу золя и , по-видимому, разжижаясь, в результате чего объекты на поверхности зыбучего песка тонут.
Кетчуп — это жидкость, разжижающаяся при сдвиге . [3] [13] Разжижение 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 кетчупа может привести к переходу к более низкой вязкости за счет разжижения при сдвиге, что облегчит выливание из бутылки.
При определенных обстоятельствах потоки гранулированных материалов можно моделировать как континуум, например, используя реологию μ ( I ) . Такие модели континуума, как правило, неньютоновские, поскольку кажущаяся вязкость гранулированных потоков увеличивается с давлением и уменьшается со скоростью сдвига. Основное различие заключается в сдвиговом напряжении и скорости сдвига.
