Nenewtonská tekutina - Non-Newtonian fluid
Část série na |
Mechanika kontinua |
---|
Nenewtonské kapaliny je kapalina , která se neřídí Newtonův zákon viskozity , tj konstantní viskozity nezávisle na stres. V nenewtonských kapalinách se viskozita může při působení síly změnit na tekutější nebo pevnější. Kečup , například, se stává řidší při třepání a je tak ne-newtonské kapaliny. Mnoho solných roztoků a roztavených polymerů jsou nenewtonské tekutiny, stejně jako mnoho běžně se vyskytujících látek, jako je pudink , zubní pasta , škrobové suspenze, kukuřičný škrob , barvy , krev , rozpuštěné máslo a šampon .
Nejčastěji viskozita (postupná deformace smykovým nebo tahovým napětím ) nenewtonských kapalin závisí na smykové rychlosti nebo historii smykové rychlosti. Některé nenewtonské kapaliny s viskozitou nezávislou na smyku však stále vykazují normální rozdíly v napětí nebo jiné nenewtonovské chování. V newtonovské tekutině je vztah mezi smykovým napětím a smykovou rychlostí lineární, procházející počátkem , přičemž konstantou proporcionality je koeficient viskozity . V nenewtonské tekutině je vztah mezi smykovým napětím a smykovou rychlostí odlišný. Tekutina může dokonce vykazovat časově závislou viskozitu . Proto nelze definovat konstantní koeficient viskozity.
Ačkoli se v mechanice tekutin k charakterizaci smykových vlastností tekutiny běžně používá pojem viskozity , může být neadekvátní popisovat nenewtonské tekutiny. Nejlépe se studují pomocí několika dalších reologických vlastností, které se vztahují k tenzorům napětí a rychlosti deformace za mnoha různých podmínek proudění - jako je oscilační smykový nebo extenzivní tok - které se měří pomocí různých zařízení nebo reometrů . Vlastnosti lze lépe studovat pomocí tenzorem hodnocených konstitutivních rovnic , které jsou běžné v oblasti mechaniky kontinua .
Druhy nenewtonského chování
souhrn
Viskoelastický | Kelvin materiál , Maxwell materiál | „Paralelní“ lineární kombinace elastických a viskózních efektů | Nějaká maziva , šlehačka , hloupý tmel |
Časově závislá viskozita | Reopectic | Zdánlivá viskozita se zvyšuje s napětím | Synoviální tekutina , inkoust do tiskárny , sádrová pasta |
Tixotropní | Zdánlivá viskozita klesá s délkou napětí | Jogurt , arašídové máslo , roztoky xanthanové gumy , vodné gely oxidu železa , želatinové gely, pektinové gely, hydrogenovaný ricinový olej , některé jíly (včetně bentonitu a montmorillonitu ), suspenze sazí v roztavené gumě z pneumatik, některá vrtná bláta , mnoho barev , mnoho floc suspenze, mnoho koloidních suspenzí | |
Nenewtonská viskozita | Smykové zahušťování (dilatační) | Zdánlivá viskozita se zvyšuje se zvýšeným napětím | Suspenze kukuřičného škrobu ve vodě (Oobleck) |
Smykové ztenčení (pseudoplastické) | Zdánlivá viskozita klesá se zvýšeným napětím | Lak na nehty , šlehačka , kečup , melasa , sirupy, papírová kaše ve vodě, latexová barva , led , krev , některé silikonové oleje , některé silikonové povlaky , písek ve vodě | |
Zobecněné newtonovské tekutiny | Viskozita je konstantní. Stres závisí na normálním a smykovém namáhání a také na tlaku, který na něj působí |
Krevní plazma , pudink , voda |
Střihová zahušťovací tekutina
Zdá se, že viskozita smykové zahušťovací tekutiny nebo dilatační tekutiny se zvyšuje, když se zvyšuje smyková rychlost. Kukuřičný škrob suspendovaný ve vodě („oobleck“, viz níže ) je běžným příkladem: při pomalém míchání vypadá mléčně, při prudkém míchání se cítí jako velmi viskózní kapalina.
Střihová ředicí kapalina
Známým příkladem opaku, střihové ředicí tekutiny nebo pseudoplastické tekutiny, je barva na zeď : Barva by měla při nanášení na povrch snadno stékat z kartáče, ale neměla by nadměrně kapat. Všimněte si, že všechny tixotropní kapaliny jsou extrémně smykové ředění, ale jsou výrazně závislé na čase, zatímco koloidní „smykové ředicí“ kapaliny reagují okamžitě na změny smykové rychlosti. Aby se předešlo nejasnostem, je druhá klasifikace jasněji označována jako pseudoplastická.
Dalším příkladem smykové ředicí tekutiny je krev. Tato aplikace je v těle velmi oblíbená, protože umožňuje snížení viskozity krve se zvýšenou rychlostí smykového napětí.
Binghamský plast
Tekutiny, které mají lineární vztah smykové napětí/smykové napětí, ale než začnou proudit, vyžadují konečné mezní napětí (děj smykového napětí proti smykovému napětí neprochází původem), se nazývají Binghamské plasty . Několik příkladů jsou hliněné suspenze, vrtné bláto, zubní pasta, majonéza, čokoláda a hořčice. Povrch plastu Bingham může držet vrcholy, když je nehybný. Naproti tomu newtonovské tekutiny mají v klidu nehybné povrchy.
Reopektivní nebo antitixotropní
Existují také tekutiny, jejichž rychlost deformace je funkcí času. Tekutiny, které vyžadují postupně rostoucí smykové napětí k udržení konstantní rychlosti deformace, se označují jako reopektické . Opačným případem je tekutina, která časem řídne a vyžaduje klesající napětí, aby byla zachována konstantní rychlost deformace ( tixotropní ).
Příklady
Mnoho běžných látek vykazuje nenewtonské toky. Tyto zahrnují:
- Mýdlová řešení, kosmetika a zubní pasta
- Jídlo jako máslo , sýr , džem , majonéza , polévka , taffy a jogurt
- Přírodní látky jako magma , láva , gumy , med a výtažky jako vanilkový extrakt
- Biologické tekutiny, jako je krev , sliny , sperma , hlen a synoviální tekutina
- Kaše, jako je cementová kaše a papírovina, emulze jako majonéza a některé druhy disperzí
Oobleck
Nenákladný, netoxický příklad nenewtonské tekutiny je suspenze škrobu (např. Kukuřičného škrobu) ve vodě, někdy se mu říká „oobleck“, „ooze“ nebo „magické bahno“ (1 díl vody na 1,5–2 části kukuřičného škrobu). Název „oobleck“ je odvozen z knihy Dr. Seusse Bartoloměj a Oobleck .
Kvůli svým dilatačním vlastnostem je oobleck často používán při demonstracích, které ukazují jeho neobvyklé chování. Osoba může chodit po velké vaně ooblecku, aniž by se potopila kvůli jeho vlastnostem zahušťování smykem, pokud se jedinec pohybuje dostatečně rychle, aby poskytl dostatečnou sílu při každém kroku, aby způsobil zesílení. Pokud je oobleck umístěn na velkém subwooferu poháněném dostatečně vysokou hlasitostí, zesiluje a vytváří stojaté vlny v reakci na nízkofrekvenční zvukové vlny z reproduktoru. Pokud by někdo udeřil nebo zasáhl oobleck, zesílil by a působil jako pevná látka. Po úderu se oobleck vrátí zpět do svého tenkého kapalného stavu.
Flubber (sliz)
Flubber, také běžně známý jako sliz, je nenewtonská tekutina, která se snadno vyrábí z lepidel na bázi polyvinylalkoholu (jako je bílé „školní“ lepidlo) a boraxu . Teče pod nízkými napětími, ale při vyšších napětích a tlacích se láme. Tato kombinace vlastností podobných tekutinám a pevným látkám z něj činí kapalinu Maxwell . Jeho chování lze také popsat jako viskoplastické nebo želatinové .
Chlazená karamelová poleva
Dalším příkladem je poleva z chlazené karamelové zmrzliny (pokud obsahuje hydrokoloidy, jako je karagenan a gellanová guma ). Náhlá aplikace síly - například bodnutí povrchu prstem nebo rychlé převrácení nádoby, která ho drží - způsobí, že se tekutina bude chovat spíše jako pevná látka než jako kapalina. Toto je vlastnost „ nůžkové hustoty “ této nenewtonovské tekutiny. Šetrnější zacházení, jako například pomalé vkládání lžíce, jej ponechá v tekutém stavu. Pokus o opětovné vytažení lžičky však vyvolá návrat dočasného pevného stavu.
Hloupý tmel
Silly Putty je suspenze na bázi silikonového polymeru, která bude proudit, odrážet se nebo lámat v závislosti na rychlosti deformace.
Rostlinná pryskyřice
Rostlinná pryskyřice je viskoelastický pevný polymer . Když je ponechán v nádobě, bude pomalu proudit jako kapalina, aby se přizpůsobil obrysům nádoby. Pokud je udeřen větší silou, rozbije se jako pevná látka.
Pohyblivý písek
Piesek je střihově ztenčující nenewtonský koloid, který v klidu získává viskozitu. Nenewtonské vlastnosti tekutého písku lze pozorovat, když dojde k mírnému šoku (například když po něm někdo jde nebo ho míchá klackem), když se přesouvá mezi fází gelu a solu a zdánlivě zkapalňuje, což způsobuje předměty na povrchu tekutého písku potopit se.
Kečup
Kečup je střihová ředicí tekutina. Smykové ztenčení znamená, že viskozita kapaliny klesá s rostoucím smykovým napětím . Jinými slovy, pohyb tekutiny je zpočátku obtížný při pomalých rychlostech deformace, ale při vysokých rychlostech bude proudit volněji. Protřepáním obrácené lahve kečupu může dojít k jeho přechodu na nižší viskozitu, což má za následek náhlý příval zředěného koření.
Suché zrnité toky
Za určitých okolností lze toky zrnitých materiálů modelovat jako kontinuum, například pomocí reologie μ ( I ) . Takové modely kontinua bývají nenewtonské, protože zjevná viskozita zrnitých toků se zvyšuje s tlakem a klesá se smykovou rychlostí. Hlavním rozdílem je smykové napětí a rychlost smyku.
Viz také
- Složitá tekutina
- Dilatant
- Disipativní dynamika částic
- Zobecněná newtonovská tekutina
- Herschel – Bulkleyova tekutina
- Zkapalnění
- Navier – Stokesovy rovnice
- Newtonova tekutina
- Pseudoplastické
- Pohyblivý písek
- Rychlá hlína
- Reologie
- Super tekutiny
- Tixotropie
- Weissenbergův efekt
Reference
externí odkazy
- Klasické experimenty s nenewtonskými kapalinami podle Národního výboru pro mechaniku tekutin na YouTube