| Часть серии по |
| Механика сплошной среды |
|---|
Неньютоновская жидкостью является жидкостью , которая не соответствует закону Ньютона вязкости , т.е. постоянной вязкости независимо от напряжения. В неньютоновских жидкостях вязкость может изменяться под действием силы на более жидкую или более твердую. 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 обычно встречающиеся вещества, такие как заварной крем , [1] мед , [1] зубная паста , суспензии крахмала , 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 предыстории скорости сдвига. Однако некоторые неньютоновские жидкости с вязкостью, не зависящей от сдвига, все же демонстрируют нормальную разницу напряжений или другое неньютоновское поведение. В ньютоновской жидкости соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига линейно, проходя через начало координат , а константа пропорциональности является коэффициентом вязкости. В неньютоновской жидкости соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига иное. Жидкость может даже иметь зависящую от времени вязкость . Следовательно, нельзя определить постоянный коэффициент вязкости.
Хотя понятие вязкости обычно используется в механике жидкости для характеристики сдвиговых свойств жидкости, оно может быть неадекватным для описания неньютоновских жидкостей. Их лучше всего изучать с помощью нескольких других реологических свойств, которые связывают тензоры скорости напряжения и деформации при многих различных условиях потока, таких как колебательный сдвиг или поток при растяжении, которые измеряются с помощью различных устройств или реометров . Свойства лучше изучены с помощью тензора -значных конститутивных уравнений , которые являются общими в области механики сплошной среды .
Типы неньютоновского поведения [ править ]
Резюме [ править ]
| Вязкоупругий | Кельвина материал , материал Максвелла | «Параллельная» линейная комбинация упругих и вязких воздействий [2] | Некоторые смазки , взбитые сливки , Silly Putty |
| Вязкость, зависящая от времени | Реопекции | Кажущаяся вязкость увеличивается с продолжительностью нагрузки | Синовиальная жидкость , чернила для принтера , гипсовая паста |
| Тиксотропный | Кажущаяся вязкость уменьшается с продолжительностью нагрузки [2] | Йогурт , арахисовое масло , растворы ксантановой камеди , водные гели оксида железа , желатиновые гели, пектиновые гели, гидрогенизированное касторовое масло , некоторые глины (включая бентонит и монтмориллонит ), суспензия углеродной сажи в расплавленной резине шин, некоторые буровые растворы , многие краски , многие суспензии хлопьев , многие коллоидные суспензии | |
| Неньютоновская вязкость | Утолщение сдвига (дилатант) | Кажущаяся вязкость увеличивается с увеличением напряжения [3] | Суспензии кукурузного крахмала в воде (ооблек) |
| Истончение сдвига (псевдопластическое) | Кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением напряжения [4] [5] | Лак для ногтей , взбитые сливки , кетчуп , патока , сиропы, бумажная масса в воде, латексная краска , лед , кровь , некоторые силиконовые масла , некоторые силиконовые покрытия , песок в воде | |
| Обобщенные ньютоновские жидкости | Вязкость постоянная. Напряжение зависит от нормальной скорости деформации и деформации сдвига, а также от приложенного к ней давления. | Плазма крови , заварной крем , вода |
Загущающая жидкость для сдвига [ править ]
Вязкость загущающей жидкости при сдвиге или дилатантной жидкости, по-видимому, увеличивается при увеличении скорости сдвига. Кукурузный крахмал, суспендированный в воде («облек», см. Ниже ), является типичным примером: при медленном перемешивании он выглядит молочно-белым, при интенсивном - кажется очень вязкой жидкостью.
Разжижающая жидкость для сдвига [ править ]
Знакомый пример противоположности - жидкость для разжижения сдвига или псевдопластическая жидкость - это краска для стен : краска должна легко стекать с кисти при нанесении на поверхность, но не капать чрезмерно. Обратите внимание, что все тиксотропные жидкости сильно разжижаются при сдвиге, но они значительно зависят от времени, тогда как коллоидные жидкости, «разжижающие при сдвиге», мгновенно реагируют на изменения скорости сдвига. Таким образом, чтобы избежать путаницы, последняя классификация более четко называется псевдопластической.
Другой пример жидкости, разжижающей сдвиг, - кровь. Это применение очень популярно в организме, поскольку оно позволяет снизить вязкость крови с увеличением скорости сдвига.
Пластик Бингема [ править ]
Жидкости, которые имеют линейную зависимость напряжения сдвига / деформации сдвига, но требуют конечного напряжения текучести, прежде чем они начнут течь (график зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига не проходит через начало координат), называются пластиками Бингема . Несколько примеров - глиняные суспензии, буровой раствор, зубная паста, майонез, шоколад и горчица. На неподвижной поверхности пластика Bingham могут оставаться выступы. Напротив, ньютоновские жидкости в неподвижном состоянии имеют плоские безликие поверхности.
Реопектическое или антитиксотропное [ править ]
Есть также жидкости, скорость деформации которых зависит от времени. Жидкости, которые требуют постепенно увеличивающегося напряжения сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектическими . Противоположный случай - жидкость, которая со временем разжижается и требует уменьшения напряжения для поддержания постоянной скорости деформации ( тиксотропная ).
Примеры [ править ]
Многие обычные вещества демонстрируют неньютоновские потоки. К ним относятся: [6]
- Мыльные растворы, косметика и зубная паста
- Еда, такая как масло , сыр , джем , майонез , суп , ириски и йогурт.
- Натуральные вещества, такие как магма , лава , камедь , мед и экстракты, такие как экстракт ванили.
- Биологические жидкости, такие как кровь , слюна , сперма , слизь и синовиальная жидкость.
- Растворы, такие как цементный раствор и бумажная масса, эмульсии, такие как майонез, и некоторые виды дисперсий
Облек [ править ]
Недорогим, нетоксичным примером неньютоновской жидкости является суспензия крахмала (например, кукурузного крахмала) в воде, иногда называемая «облек», «ил» или «волшебная грязь» (1 часть воды на 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 облек часто используется в демонстрациях, демонстрирующих его необычное поведение. Человек может ходить по большой ванне из ооблека, не утонув из-за его свойств утолщения при сдвиге, если он движется достаточно быстро, чтобы с каждым шагом прилагать достаточно усилий, чтобы вызвать утолщение. Кроме того, если на большой сабвуфер установить громкоговоритель с достаточно высокой громкостью, он будет утолщаться и образовывать стоячие волны в ответ на низкочастотные звуковые волны из динамика. Если бы человек ударил кулаком или ударил по облеку, он бы утолщался и действовал как твердое тело. После удара оболочка вернется в жидкое жидкое состояние.
Flubber (слизь) [ править ]
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 низких напряжениях, но ломается при более высоких напряжениях и давлениях. Эта комбинация свойств жидкости и твердого тела делает ее жидкостью Максвелла . Его поведение также можно описать как вязкопластическое или гелеобразное . [11]
Охлажденная карамельная начинка [ править ]
Другим примером этого является топпинг из охлажденного карамельного мороженого (при условии, что он содержит гидроколлоиды, такие как каррагинан и геллановая камедь ). Внезапное приложение силы - например, путем удара пальцем по поверхности или быстрого переворачивания контейнера, в котором он находится, - заставляет жидкость вести себя как твердое тело, а не как жидкость. Это свойство « загустевания при сдвиге » этой неньютоновской жидкости. При более щадящем обращении, например, медленно вставляя ложку, она останется в жидком состоянии. Однако попытка снова выдернуть ложку приведет к возврату временного твердого состояния. [12]
Глупая замазка [ править ]
Silly Putty - это суспензия на основе силиконового полимера, которая будет течь, отскакивать или ломаться в зависимости от скорости деформации.
Смола растений [ править ]
Растительная смола - это вязкоупругий твердый полимер . Оставленный в контейнере, он будет медленно течь как жидкость, чтобы соответствовать контурам контейнера. Однако, если ударить с большей силой, он расколется как твердое тело.
Зыбучие пески [ править ]
Зыбучие пески - это разжижающийся при сдвиге неньютоновский коллоид, который в состоянии покоя приобретает вязкость. Неньютоновские свойства зыбучих песков можно наблюдать, когда они испытывают легкое потрясение (например, когда кто-то идет по ним или встряхивает их палкой), переходя между фазами геля и золя и, казалось бы, разжижаясь, вызывая объекты на поверхности зыбучих песков. тонуть.
Кетчуп [ править ]
Кетчуп - это жидкость, разжижающая сдвиг . [3] [13] Разжижение при сдвиге означает, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением напряжения сдвига . Другими словами, движение жидкости изначально затруднено при медленных скоростях деформации, но при высоких скоростях она будет течь более свободно. Встряхивание перевернутой бутылки кетчупа может привести к переходу к более низкой вязкости, что приведет к внезапному выбросу разбавленной сдвигом приправы.
Сухие гранулированные потоки [ править ]
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 гранулированных потоков увеличивается с давлением и уменьшается со скоростью сдвига. Основное отличие - напряжение сдвига и скорость сдвига.
См. Также [ править ]
- Сложная жидкость
- Дилатант
- Диссипативная динамика частиц
- Обобщенная ньютоновская жидкость
- Жидкость Гершеля – Балкли
- Разжижение
- Уравнения Навье – Стокса
- Ньютоновская жидкость
- Псевдопластический
- Зыбучие пески
- Быстрая глина
- Реология
- Сверхтекучие жидкости
- Тиксотропия
- Эффект Вайссенберга
Ссылки [ править ]
- ^ a b Уэллетт, Дженнифер (2013). «Ан-Ти-Си-Па-Тион: Физика капающего меда» . Scientific American .
- ^ а б Тропея, Кэмерон; Ярин, Александр Л .; Фосс, Джон Ф. (2007). Справочник Springer по экспериментальной механике жидкости . Springer. стр. 661, 676. ISBN 978-3-540-25141-5.
- ^ a b Гарай, Пол Н. (1996). Настольная книга по применению насосов (3-е изд.). Прентис Холл. п. 358. ISBN 978-0-88173-231-3.
- Перейти ↑ Rao, MA (2007). Реология жидких и полутвердых пищевых продуктов: принципы и применение (2-е изд.). Springer. п. 8. ISBN 978-0-387-70929-1.
- ^ Шрамм, Лорье Л. (2005). Эмульсии, пены и суспензии: основы и применения . Wiley VCH. п. 173. ISBN. 978-3-527-30743-2.
- ^ Chhabra, RP (2006). Пузыри, капли и частицы в неньютоновских жидкостях (2-е изд.). Хобокен: Тейлор и Фрэнсис Лтд., Стр. 9–10. ISBN 978-1420015386.
- ^ Эта демонстрация oobleck - популярная тема для видео на YouTube. [ какой? ]
- ^ a b "Oobleck: Научный эксперимент доктора Сьюза" . Instructables.com .
- ^ "Возмутительный слизь" . Эксплораториум .
- ^ Рупп, Ребекка (1998). «Волшебная грязь и другие великие эксперименты» . Полный сборник материалов для домашнего обучения . С. 235–236. ISBN 9780609801093.
- ^ Glurch Соответствует Oobleck архивации 6 июля 2010 года в Wayback Machine . Расширение государственного университета Айовы .
- ^ Барра, Джузеппина (2004). Реология карамели (доктор философии). Ноттингемский университет.
- ↑ Картрайт, Джон (2 сентября 2011 г.). «Микроскопия показывает, почему кетчуп брызжет» . Мир химии . Королевское химическое общество.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с неньютоновскими жидкостями . |
- Классические эксперименты с неньютоновскими жидкостями Национального комитета по механике жидкостей на YouTube
