Неньютоновская жидкость
| Часть серии о |
| Механика сплошных сред |
|---|
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2024 г. ) |
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 растворы солей 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 .
неньютоновской жидкости Для вязкости существуют псевдопластические , пластические и дилатантные течения, не зависящие от времени, а также тиксотропные и реопектические течения, зависящие от времени.
Типы неньютоновского поведения
[ редактировать ]Краткое содержание
[ редактировать ]
| вязкоупругий | Материал Кельвина , материал Максвелла | «Параллельная» линейная комбинация упругих и вязких эффектов. [ 2 ] | Немного смазки , взбитые сливки , Silly Putty. |
| Зависящая от времени вязкость | реопектический | Кажущаяся вязкость увеличивается с увеличением продолжительности стресса. | Синовиальная жидкость , чернила для принтера , гипсовая паста. |
| Тиксотропный | Кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением продолжительности стресса. [ 2 ] | Йогурт , арахисовое масло , ксантановой камеди растворы оксида железа , водные гели , желатиновые гели, пектиновые гели, гидрогенизированное касторовое масло , некоторые глины (включая бентонит и монтмориллонит ), суспензия технического углерода в расплавленной резине шин, некоторые буровые растворы , многие краски , многие хлопьевидные суспензии, многие коллоидные суспензии | |
| Неньютоновская вязкость | Сдвиговое утолщение (дилатант) | Кажущаяся вязкость увеличивается с увеличением нагрузки [ 3 ] | Суспензия кукурузного крахмала в воде (облек) |
| Сдвиговое истончение (псевдопластичное) | Кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением нагрузки [ 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 является функцией скорости деформации сдвига. Напряжение зависит от скоростей нормальной деформации и деформации сдвига, а также от приложенного к нему давления. |
Плазма крови , заварной крем , вода |
Жидкость, загущающая сдвиг
[ редактировать ]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.
Жидкость, разжижающая сдвиг
[ редактировать ]
Известным примером противоположного явления является жидкость, разжижающая сдвиг , или псевдопластичная жидкость : 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.
Бингам пластик
[ редактировать ]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.
Реопектический или антитиксотропный
[ редактировать ]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 ).
Примеры
[ редактировать ]Многие распространенные вещества демонстрируют неньютоновские течения. К ним относятся: [ 6 ]
- Мыльные растворы, косметика и зубная паста
- Такие продукты, как масло , сыр , варенье , майонез , суп , ириски и йогурт.
- Природные вещества, такие как магма , лава , камеди , 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.
Ооблек
[ редактировать ]
Недорогим, 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 доктора Сьюза книги «Варфоломей и Ублек» . [ 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 в воду 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 поставить на большой сабвуфер, работающий 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 (слизь)
[ редактировать ]
Флаббер, также широко известный как слизь, представляет собой неньютоновскую жидкость, которую легко получить из поливинилового спирта на основе клея (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 ]
Охлажденная карамельная начинка
[ редактировать ]Другим примером потока неньютоновской жидкости является начинка для 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 « загустевать при сдвиге свойство этой неньютоновской жидкости ». Более бережное обращение, например медленное введение ложки, оставит его в жидком состоянии. Однако повторная попытка выдернуть ложку приведет к возврату временного твердого состояния. [ 12 ]
Глупая шпатлевка
[ редактировать ]на основе силиконового полимера Silly Putty — это суспензия , которая течет, подпрыгивает или ломается в зависимости от скорости деформации.
Растительная смола
[ редактировать ]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.
Зыбучие пески
[ редактировать ]Зыбучий песок — это разжижающийся при сдвиге неньютоновский коллоид , который в состоянии покоя приобретает вязкость. Неньютоновские свойства зыбучего песка можно наблюдать, когда он испытывает легкое потрясение (например, когда кто-то ходит по нему или трясет его палкой), происходит переход между фазой геля и золя и, по-видимому, разжижение, вызывая появление объектов на поверхности зыбучих песков. тонуть.
Кетчуп
[ редактировать ]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.
Сухие гранулированные потоки
[ редактировать ]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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уэллетт, Дженнифер (2013). «Ан-Ти-Ци-Па-Тион: Физика капающего меда» . Научный американец .
- ^ Jump up to: а б Тропеа, Кэмерон; Ярин, Александр Л.; Фосс, Джон Ф. (2007). Справочник Springer по экспериментальной механике жидкости . Спрингер. стр. 661, 676. ISBN. 978-3-540-25141-5 .
- ^ Jump up to: а б Гарай, Пол Н. (1996). Настольная книга по применению насосов (3-е изд.). Прентис Холл. п. 358. ИСБН 978-0-88173-231-3 .
- ^ Рао, Массачусетс (2007). Реология жидких и полутвердых пищевых продуктов: принципы и применение (2-е изд.). Спрингер. п. 8. ISBN 978-0-387-70929-1 .
- ^ Шрамм, Лорье Л. (2005). Эмульсии, пены и суспензии: основы и применение . Вайли ВЧ. п. 173. ИСБН 978-3-527-30743-2 .
- ^ Чхабра, Р.П. (2006). Пузырьки, капли и частицы в неньютоновских жидкостях (2-е изд.). Хобокен: Тейлор и Фрэнсис Лтд. стр. 100-1 9–10. ISBN 978-1-4200-1538-6 .
- ^ Эта демонстрация ооблека — популярная тема для видеороликов на YouTube. [ который? ]
- ^ Jump up to: а б «Ооблек: научный эксперимент доктора Сьюза» . instructables.com .
- ^ «Возмутительная слизняк» . Эксплораториум .
- ^ Рупп, Ребекка (1998). «Волшебная грязь и другие великие эксперименты» . Полный справочник по домашнему обучению . Три Риверс Пресс. стр. 235–236. ISBN 978-0-609-80109-3 .
- ^ Глурч встречает Ублека. Архивировано 6 июля 2010 года в Wayback Machine . Расширение Университета штата Айова .
- ^ Барра, Джузеппина (2004). Реология карамели (доктор философии). Университет Ноттингема.
- ^ Картрайт, Джон (2 сентября 2011 г.). «Микроскопия показывает, почему кетчуп разбрызгивается» . Химический мир . Королевское химическое общество.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Классические эксперименты с неньютоновскими жидкостями Национального комитета механики жидкости на YouTube
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
