Ciecz nieniutonowska

Płyn nienewtonowski to płyn , który nie podlega prawu lepkości Newtona , tj. stałej lepkości niezależnej od naprężeń. W płynach nienewtonowskich lepkość może zmieniać się pod wpływem siły na bardziej płynną lub stałą. ketchup staje się bardziej rzadki po wstrząśnięciu i dlatego jest płynem nienewtonowskim. Wiele soli i stopionych polimerów to płyny nienewtonowskie, podobnie jak wiele powszechnie spotykanych substancji, takich jak budyń , pasta do zębów , zawiesiny skrobi , skrobia kukurydziana , farba , krew , roztopione masło i szampon .

Najczęściej lepkość (stopniowe odkształcanie pod wpływem naprężeń ścinających lub rozciągających ) płynów nienewtonowskich zależy od szybkości ścinania lub historii szybkości ścinania. Jednak niektóre płyny nienewtonowskie o lepkości niezależnej od ścinania nadal wykazują normalne różnice naprężeń lub inne nienewtonowskie zachowanie. W płynie newtonowskim zależność między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania jest liniowa, przechodząc przez początek układu współrzędnych , przy czym stała proporcjonalności jest współczynnikiem lepkości . W płynie nienewtonowskim zależność między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania jest inna. Płyn może nawet wykazywać lepkość zależną od czasu . Dlatego nie można zdefiniować stałego współczynnika lepkości.

Chociaż pojęcie lepkości jest powszechnie stosowane w mechanice płynów do charakteryzowania właściwości płynu przy ścinaniu, może być niewystarczające do opisywania płynów nienewtonowskich. Najlepiej badać je za pomocą kilku innych reologicznych , które odnoszą się do tensorów naprężenia i szybkości odkształcenia w wielu różnych warunkach przepływu — takich jak ścinanie oscylacyjne lub przepływ rozciągający — które są mierzone za pomocą różnych urządzeń lub reometrów . Właściwości można lepiej badać za pomocą równań konstytutywnych o wartościach tensorowych , które są powszechne w dziedzinie mechaniki ośrodków ciągłych .

Rodzaje zachowań nienewtonowskich

Streszczenie

Klasyfikacja płynów z naprężeniami ścinającymi w funkcji szybkości ścinania.

Porównanie właściwości nienewtonowskich, newtonowskich i lepkosprężystych

Lepkosprężysty	Materiał Kelvina , materiał Maxwella	„Równoległa” liniowa kombinacja efektów sprężystych i lepkich	Niektóre lubrykanty , bita śmietana , Silly Putty
Lepkość zależna od czasu	reopektyczny	Lepkość pozorna wzrasta wraz z czasem trwania obciążenia	Płyn maziowy , tusz do drukarki , pasta gipsowa
	tiksotropowy	Lepkość pozorna zmniejsza się wraz z czasem trwania obciążenia	Jogurt , masło orzechowe , roztwory gumy ksantanowej , wodne żele tlenku żelaza , żele żelatynowe , żele pektynowe , uwodorniony olej rycynowy , niektóre glinki (w tym bentonit i montmorylonit ), zawiesina sadzy w stopionej gumie z opon, niektóre płuczki wiertnicze , wiele farb , wiele zawiesin kłaczków , wiele zawiesin koloidalnych
Lepkość nienewtonowska	Zagęszczanie ścinaniem (dylatant)	Lepkość pozorna wzrasta wraz ze wzrostem naprężenia	Zawiesiny skrobi kukurydzianej w wodzie (oobleck)
	Rozrzedzanie ścinaniem (pseudoplastyczne)	Lepkość pozorna maleje wraz ze wzrostem naprężenia	Lakier do paznokci , bita śmietana , ketchup , melasa , syropy , pulpa papierowa w wodzie , farba lateksowa , lód , krew , niektóre oleje silikonowe , niektóre powłoki silikonowe , piasek w wodzie
	Uogólnione płyny newtonowskie	Lepkość jest funkcją szybkości odkształcenia ścinającego. Naprężenie zależy od szybkości odkształcenia normalnego i ścinającego, a także od wywieranego na nie nacisku	Osocze krwi , budyń , woda

Płyn zagęszczający się przy ścinaniu

Lepkość płynu zagęszczającego się pod wpływem ścinania lub płynu dylatacyjnego wydaje się wzrastać wraz ze wzrostem szybkości ścinania. Częstym przykładem jest skrobia kukurydziana zawieszona w wodzie („oobleck”, patrz poniżej ): po powolnym mieszaniu wygląda jak mleczna, przy energicznym mieszaniu przypomina bardzo lepką ciecz.

Płyn rozrzedzający ścinanie

Farba jest cieczą nienewtonowską. Płaska powierzchnia pokryta białą farbą jest ustawiona pionowo (przed wykonaniem zdjęcia płaska powierzchnia była pozioma, położona na stole). Płyn zaczyna kapać po powierzchni, ale ze względu na swój nienewtonowski charakter jest poddawany naprężeniom spowodowanym przyspieszeniem grawitacyjnym . Dlatego zamiast ślizgać się po powierzchni, tworzy bardzo duże i bardzo gęste kropelki o ograniczonym kapaniu.

Znanym przykładem czegoś przeciwnego, płynu rozrzedzanego ścinaniem lub płynu pseudoplastycznego, jest farba ścienna : Farba powinna łatwo spływać z pędzla, gdy jest nakładana na powierzchnię, ale nie kapać nadmiernie. Należy zauważyć, że wszystkie tiksotropowe bardzo rozrzedzają się pod wpływem ścinania, ale są one w znacznym stopniu zależne od czasu, podczas gdy płyny koloidalne „rozrzedzane ścinaniem” reagują natychmiast na zmiany szybkości ścinania. Dlatego, aby uniknąć nieporozumień, ta ostatnia klasyfikacja jest wyraźniej określana jako pseudoplastyczna.

Innym przykładem płynu rozrzedzanego ścinaniem jest krew. Ta aplikacja jest bardzo preferowana w organizmie, ponieważ umożliwia zmniejszenie lepkości krwi wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia ścinającego.

Plastik Binghama

Płyny, które mają liniową zależność naprężenie ścinające / odkształcenie ścinające, ale wymagają skończonej granicy plastyczności, zanim zaczną płynąć (wykres naprężenia ścinającego w funkcji odkształcenia ścinającego nie przechodzi przez początek) nazywane są tworzywami Binghama . Kilka przykładów to zawiesiny gliny, płuczka wiertnicza, pasta do zębów, majonez, czekolada i musztarda. Powierzchnia plastiku Bingham może utrzymywać szczyty, gdy jest nieruchoma. Z kolei newtonowskie mają płaskie, pozbawione cech powierzchnie, gdy są nieruchome.

Reopektyczny lub antytiksotropowy

Istnieją również płyny, których szybkość odkształcania jest funkcją czasu. Płyny, które wymagają stopniowo rosnącego naprężenia ścinającego w celu utrzymania stałej szybkości odkształcania, nazywane są reopektycznymi . Przeciwnym przypadkiem jest płyn, który rozrzedza się z czasem i wymaga zmniejszającego się naprężenia, aby utrzymać stałą szybkość odkształcania ( tiksotropowy ).

Przykłady

Wiele powszechnych substancji wykazuje przepływy nienewtonowskie. Obejmują one:

• Roztwory mydlane, kosmetyki i pasta do zębów
• Jedzenie takie jak masło , ser , dżem , majonez , zupa , toffi i jogurt
• Naturalne substancje, takie jak magma , lawa , dziąsła , miód i ekstrakty , takie jak ekstrakt z wanilii
• Płyny biologiczne, takie jak krew , ślina , nasienie , śluz i płyn maziowy
• Zawiesiny , takie jak zawiesina cementowa i masa papiernicza, emulsje, takie jak majonez i niektóre rodzaje dyspersji

Oobleck

Demonstracja płynu nienewtonowskiego w Universum w Mexico City

Oobleck na subwooferze. Przyłożenie siły do ​​ooblecka, w tym przypadku za pomocą fal dźwiękowych, powoduje gęstnienie płynu nienewtonowskiego.

Niedrogim, nietoksycznym przykładem płynu nienewtonowskiego jest zawiesina skrobi (np. skrobi kukurydzianej/mąki kukurydzianej) w wodzie, czasami nazywana „oobleck”, „muł” lub „magiczne błoto” (1 część wody na 1,5 –2 części skrobi kukurydzianej). Nazwa „oobleck” pochodzi od książki Dr. Seussa „Bartholomew and the Oobleck” .

Ze względu na swoje właściwości dylatacyjne oobleck jest często używany w demonstracjach, które wykazują jego niezwykłe zachowanie. Osoba może chodzić po dużej wannie oobleck bez tonięcia ze względu na jej właściwości pogrubiające przy ścinaniu, o ile osoba porusza się wystarczająco szybko, aby przy każdym kroku zapewnić wystarczającą siłę, aby spowodować pogrubienie. Ponadto, jeśli oobleck zostanie umieszczony na dużym subwooferze napędzanym przy wystarczająco dużej głośności, zgęstnieje i utworzy fale stojące w odpowiedzi na fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości z głośnika. Gdyby ktoś uderzył pięścią lub uderzeniem ooblecka, zgęstniałby i zachowywał się jak ciało stałe. Po uderzeniu oobleck wróci do swojego rzadkiego, płynnego stanu.

Flubber (szlam)

Główny artykuł: Flubber (materiał)

Szlam płynie pod niskimi naprężeniami, ale pęka pod większymi naprężeniami

Flubber, znany również jako szlam, jest płynem nienewtonowskim, łatwo wytwarzanym z klejów na bazie alkoholu poliwinylowego (takich jak biały „szkolny” klej) i boraksu . Płynie pod niskimi naprężeniami, ale pęka pod większymi naprężeniami i ciśnieniami. Ta kombinacja właściwości płynnych i stałych sprawia, że ​​jest to płyn Maxwella . Jego zachowanie można również opisać jako lepkoplastyczne lub galaretowate .

Schłodzona polewa karmelowa

Innym tego przykładem jest schłodzona polewa do lodów karmelowych (o ile zawiera hydrokoloidy, takie jak karagen i guma gellan ). Nagłe przyłożenie siły - na przykład dźgnięcie powierzchni palcem lub szybkie odwrócenie trzymającego go pojemnika - powoduje, że płyn zachowuje się jak ciało stałe , a nie ciecz. To jest „ zagęszczanie ścinające” . " właściwość tego nienewtonowskiego płynu. Delikatniejsze traktowanie, takie jak powolne wkładanie łyżki, pozostawi ją w stanie ciekłym. Jednak próba ponownego wyszarpnięcia łyżki spowoduje powrót tymczasowego stanu stałego.

Plastelina

Główny artykuł: Silly Putty

zawiesina na bazie polimeru silikonowego , która będzie płynąć, odbijać się lub pękać, w zależności od szybkości odkształcania.

Żywica roślinna

Główny artykuł: Pitch (żywica)

Żywica roślinna jest lepkosprężystym stałym polimerem . Pozostawiony w pojemniku będzie płynął powoli jako ciecz, dopasowując się do konturów pojemnika. Jednak uderzony z większą siłą roztrzaska się jako bryła.

Ruchome piaski

Główny artykuł: Ruchome piaski

Ruchome piaski to rozrzedzający się pod wpływem ścinania nienewtonowski koloid , który w spoczynku zyskuje lepkość. Nienewtonowskie właściwości ruchomych piasków można zaobserwować, gdy doznają one lekkiego szoku (na przykład, gdy ktoś po nich chodzi lub porusza kijem), przesuwając się między fazą żelową i zolową i pozornie upłynniając się, powodując powstawanie obiektów na powierzchni ruchomych piasków tonąć.

Keczup

Ketchup jest płynem rozrzedzającym ścinanie . Rozrzedzenie ścinające oznacza, że ​​lepkość płynu maleje wraz ze wzrostem naprężenia ścinającego . Innymi słowy, ruch płynu jest początkowo trudny przy małych szybkościach deformacji, ale będzie płynął swobodniej przy dużych prędkościach. Potrząsanie odwróconą butelką keczupu może spowodować jego przejście do niższej lepkości, co skutkuje nagłym wytryskiem rozcieńczonej ścinaniem przyprawy.

Suche strumienie ziarniste

W pewnych okolicznościach przepływy materiałów ziarnistych można modelować jako kontinuum, na przykład przy użyciu reologii μ ( I ) . Takie modele kontinuum wydają się być nienewtonowskie, ponieważ pozorna lepkość przepływów ziarnistych rośnie wraz z ciśnieniem i maleje wraz z szybkością ścinania. Główną różnicą jest naprężenie ścinające i szybkość ścinania.

Zobacz też

• Złożony płyn
• Dylatacja
• Dyssypatywna dynamika cząstek
• Uogólniony płyn newtonowski
• Płyn Herschela-Bukleya
• Skraplanie
• Równania Naviera-Stokesa
• płyn newtonowski
• Pseudoplastyczne
• Ruchome piaski
• Szybka glina
• Reologia
• nadpłyny
• Tiksotropia
• Efekt Weissenberga

Linki zewnętrzne

• na YouTubie