Ciecz nieniutonowska - Non-Newtonian fluid

Część serii na
Mechanika kontinuum
${\ Displaystyle J = - D {\ Frac {d \ varphi} {dx}}}$ Prawa dyfuzji Ficka
Prawa Konserwacje Masa Pęd Energia Nierówności Clausius-Duhem (entropia)
Solidna mechanika Odkształcenie Elastyczność liniowy Plastyczność Prawo Hooke'a Naprężenie skończone odkształcenie Nieskończenie małe napięcie Zgodność Pochylenie się Skontaktuj się z mechaniką cierny Teoria uszkodzenia materiału Mechanika złamania
Mechanika płynów Płyny Statyka  · Dynamika Zasada Archimedesa  · Zasada Bernoulliego równania Naviera-Stokesa Równanie Poiseuille'a  · Prawo Pascala Lepkość ( newtonowski  · nienewtonowski ) Wyporność  · Mieszanie  · Ciśnienie Płyny Przyczepność Działanie kapilarne Chromatografia Spójność (chemia) Napięcie powierzchniowe Gazy Atmosfera prawo Boyle'a Prawo Karola Połączone prawo gazowe Prawo Ficka Prawo Gay-Lussaca Prawo Grahama Osocze
Reologia Lepkosprężystość Reometria Reometr Inteligentne płyny Elektroreologiczne Magnetoreologiczne Ferrofluidy
Naukowcy Bernoulli Boyle Cauchy Karol Euler Ficka Gay-Lussac Graham Hooke Niuton Navier Noll Pascal Stokes Truesdell
v T mi

Płyn nienewtonowski jest płyn , który nie przestrzega prawa Newtona lepkości , czyli stały niezależnie lepkości stresu. W płynach nienewtonowskich lepkość może zmienić się pod wpływem siły na bardziej płynną lub bardziej stałą. Na przykład ketchup staje się bardziej płynny po wstrząśnięciu i dlatego jest płynem nienewtonowskim. Wiele soli roztwory i stopione polimery są ciecze nienewtonowskie, podobnie jak wiele normalnie występujące substancje takie jak kremem , pasty do zębów , skrobi zawiesiny, skrobi kukurydzianej , farby , krwi , stopionego masła i szamponu .

Najczęściej lepkość (stopniowe odkształcenie przez ścinanie lub naprężenia rozciągające ) 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 zachowania. W płynie newtonowskim zależność między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania jest liniowa, przechodząc przez źródło , przy czym stałą proporcjonalności jest współczynnik lepkości . W płynie nienewtonowskim zależność między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania jest inna. Płyn może nawet wykazywać lepkość zależną od czasu . Dlatego nie można określić stałego współczynnika lepkości.

Chociaż pojęcie lepkości jest powszechnie używane w mechanice płynów do scharakteryzowania właściwości ścinania płynu, może być nieodpowiednie do opisania płynów nienewtonowskich. Najlepiej je badać za pomocą kilku innych właściwości reologicznych , które wiążą tensory naprężenia i szybkości odkształcenia w wielu różnych warunkach przepływu – takich jak oscylacyjne ścinanie lub przepływ rozciągający – które są mierzone za pomocą różnych urządzeń lub reometrów . Właściwości te są lepiej badane za pomocą równań konstytutywnych o wartościach tensorowych , które są powszechne w dziedzinie mechaniki kontinuum .

Rodzaje zachowań nienewtonowskich

Streszczenie

Klasyfikacja płynów z naprężeniem ścinającym w funkcji szybkości ścinania.

Płyn zagęszczający ścinany

Lepkość płynu zagęszczającego ścinanie lub płynu dylatacyjnego wydaje się wzrastać wraz ze wzrostem szybkości ścinania. Skrobia kukurydziana zawieszona w wodzie ("oobleck", patrz poniżej ) jest częstym przykładem: przy wolnym mieszaniu wygląda mleczno, przy energicznym mieszaniu wydaje się być bardzo lepką cieczą.

Płyn do rozrzedzania ścinaniem

Farba nie jest płynem newtonowskim. Płaska powierzchnia pokryta białą farbą jest zorientowana w pionie (przed wykonaniem zdjęcia płaska powierzchnia była pozioma, ułożona na stole). Płyn zaczyna spływać po powierzchni, ale ze względu na swój nienewtonowski charakter poddawany jest naprężeniom wywołanym przyspieszeniem grawitacyjnym . Dlatego zamiast ślizgać się po powierzchni, tworzy bardzo duże i bardzo gęste kropelki z ograniczonym ściekaniem.

Znanym przykładem przeciwieństwa, płynu rozrzedzanego ścinaniem lub płynu pseudoplastycznego, jest farba ścienna : farba powinna łatwo spływać z pędzla, gdy jest nakładana na powierzchnię, ale nie powinna nadmiernie ściekać. Należy zauważyć, że wszystkie płyny tiksotropowe bardzo rozrzedzają się przy ścinaniu, ale są one w znacznym stopniu zależne od czasu, podczas gdy koloidalne płyny „rozrzedzane ścinaniem” reagują natychmiast na zmiany szybkości ścinania. Tak więc, 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 pozwala na zmniejszenie lepkości krwi wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia ścinającego.

Plastik Bingham

Płyny, które mają liniową zależność naprężenia ścinającego/odkształcenia ścinającego, ale wymagają skończonej granicy plastyczności zanim zaczną płynąć (wykres naprężenia ścinającego w funkcji odkształcenia ścinającego nie przechodzi przez źródło) nazywane są tworzywami sztucznymi Bingham . Kilka przykładów to zawiesiny glinki, płuczki wiertnicze, pasta do zębów, majonez, czekolada i musztarda. Powierzchnia plastiku Bingham może utrzymywać szczyty, gdy jest nieruchoma. W przeciwieństwie do płynów newtonowskich, gdy są nieruchome, mają płaskie, pozbawione cech charakterystycznych powierzchnie.

Reopektyczny lub antytiksotropowy

Istnieją również płyny, których szybkość odkształcania jest funkcją czasu. Płyny, które wymagają stopniowo rosnącego naprężenia ścinającego, aby utrzymać stałą szybkość odkształcania, określane są jako reopektyka . Odwrotnym przypadkiem jest płyn, który z czasem ulega rozrzedzeniu i wymaga malejącego naprężenia, aby utrzymać stałą szybkość odkształcenia ( tiksotropowy ).

Przykłady

Wiele powszechnych substancji wykazuje przepływy nienewtonowskie. Obejmują one:

• Roztwory mydła, kosmetyki i pasta do zębów
• Żywność taka jak masło , ser , dżem , majonez , zupa , toffi i jogurt
• Substancje naturalne, takie jak magma , lawa , dziąsła , miód oraz ekstrakty, takie jak ekstrakt waniliowy
• Płyny biologiczne, takie jak krew , ślina , nasienie , śluz i płyn maziowy
• Zawiesiny takie jak zawiesiny masy papierniczej i cementu, emulsji , takich jak majonez i niektórych rodzajów zawiesin

Oobleck

Demonstracja płynu nienewtonowskiego w Universum w Meksyku

Oobleck na subwooferze. Przykładanie siły do ​​oobleck, w tym przypadku za pomocą fal dźwiękowych, powoduje zagęszczenie płynu nienewtonowskiego.

Niedrogim, nietoksycznym przykładem płynu nienewtonowskiego jest zawiesina skrobi (np. skrobi kukurydzianej) w wodzie, czasami nazywana „ooblekiem”, „szlamem” lub „magicznym błotem” (1 część wody na 1,5-2 części skrobi kukurydzianej). Nazwa „oobleck” pochodzi z 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 z oobleck bez zapadania się ze względu na jej właściwości zagęszczania ścinaniem, o ile osoba porusza się wystarczająco szybko, aby zapewnić wystarczającą siłę przy każdym kroku, aby spowodować zgrubienie. Ponadto, jeśli oobleck zostanie umieszczony na dużym subwooferze napędzanym wystarczająco dużą głośnością, zgęstnieje i utworzy fale stojące w odpowiedzi na fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości z głośnika. Jeśli ktoś uderzy lub uderzy w oobleck, zgęstnieje i zachowa się jak ciało stałe. Po ciosie obleck wróci do swojego cienkiego, płynnego stanu.

Flumber (szlam)

Szlam płynie pod niskimi naprężeniami, ale pęka pod wpływem wyższych naprężeń

Flubber, powszechnie znany jako szlam, jest płynem nieniutonowskim łatwo wykonana z alkoholu poliwinylowego -na kleje (takie jak „białe” szkoły kleju) i boraks . Płynie pod niskimi naprężeniami, ale pęka pod wyższymi naprężeniami i ciśnieniami. To połączenie właściwości płynnych i stałych sprawia, że ​​jest to płyn firmy Maxwell . Jego zachowanie można również określić jako lepkoplastyczne lub galaretowate .

Schłodzona polewa karmelowa

Innym tego przykładem są schłodzone lody karmelowe (o ile zawiera hydrokoloidy, takie jak karagen i guma gellan ). Nagłe przyłożenie siły — na przykład dźganie powierzchni palcem lub gwałtowne odwracanie trzymającego go pojemnika — powoduje, że płyn zachowuje się jak ciało stałe, a nie ciecz. Jest to właściwość „ zagęszczania ścinaniem ” tego nienewtonowskiego płynu. Delikatniejszy zabieg, taki jak powolne wkładanie łyżki, pozostawi go w stanie płynnym. Jednak próba ponownego wyciągnięcia łyżki spowoduje powrót tymczasowego stanu stałego.

Plastelina

Silly Putty to zawiesina na bazie polimeru silikonowego, która płynie, odbija się lub pęka w zależności od szybkości odkształcania.

Żywica roślinna

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

Ruchome piaski

Ruchome Piaski to nienewtonowski koloid rozrzedzony ścinaniem, który nabiera lepkości w spoczynku. Nienewtonowskie właściwości ruchomych piasków można zaobserwować, gdy doznaje lekkiego wstrząsu (na przykład, gdy ktoś po nim chodzi lub porusza go kijem), przechodzi między fazą żelową i solową i pozornie upłynnia, powodując obiekty na powierzchni ruchomych piasków tonąć.

Keczup

Ketchup jest płynem rozrzedzanym ścinaniem . Rozrzedzenie ścinające oznacza, że ​​lepkość płynu zmniejsza się wraz ze wzrostem naprężenia ścinającego . Innymi słowy, ruch płynu jest początkowo trudny przy małych szybkościach odkształcenia, ale będzie płynął swobodniej przy wyższych szybkościach. Potrząsanie odwróconą butelką keczupu może spowodować, że zmieni się jej lepkość, co spowoduje nagły wytrysk rozrzedzonej ścinaniem przyprawy.

Przepływy suchego granulatu

W pewnych okolicznościach przepływy materiałów ziarnistych można modelować jako kontinuum, na przykład stosując reologię μ ( I ) . Takie modele kontinuum są zwykle nienewtonowskie, ponieważ pozorna lepkość przepływów ziarnistych wzrasta wraz z ciśnieniem i maleje wraz z szybkością ścinania. Główną różnicą jest naprężenie ścinające i szybkość ścinania.

Zobacz też

• Złożony płyn
• Dylatant
• Dyssypacyjna dynamika cząstek
• Uogólniony płyn newtonowski
• Płyn Herschela-Bulkleya
• Skraplanie
• równania Naviera-Stokesa
• płyn newtonowski
• Pseudoplastyczne
• Ruchome piaski
• Szybka glina
• Reologia
• Nadcieki
• Tiksotropia
• efekt Weißenberga

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Klasyczne eksperymenty z płynami nienewtonowskimi przeprowadzone przez Narodowy Komitet Mechaniki Płynów na YouTube