كشف النقاب عن السوائل غير النيوتونية: دليل شامل

ربما سمعت عن سوائل تبدو وكأنها تتحدى قوانين الفيزياء ــ سوائل تتجمد فجأة عند ارتطامها أو هلاميات تتدفق بحرية حتى تهتز. وتتصرف هذه المواد الغريبة، المعروفة باسم السوائل غير النيوتونية، بشكل مختلف تماما عن السوائل المألوفة التي نصادفها يوميا. ومع اكتشاف العلماء والمهندسين المزيد عن هذه المواد الغريبة، تستمر تطبيقاتها في مجالات من الفضاء إلى الطب في التوسع.

في هذا الدليل الشامل، سنتعمق في أساسيات ميكانيكا الموائع غير النيوتونية. وسنستكشف ما يميزها عن الموائع التقليدية، والأنواع المختلفة من السلوكيات غير النيوتونية، والأمثلة اليومية التي قد تتعرف عليها.

ما هي السوائل غير النيوتونية

السوائل غير النيوتونية هي فئة من السوائل التي تظهر سلوكًا فريدًا مقارنة بنظيراتها النيوتونيةعلى عكس السوائل النيوتونية، التي لها علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص، تنحرف السوائل غير النيوتونية عن هذه الخطية. وهذا يعني أن لزوجتها، أو مقاومتها للتدفق، تتغير اعتمادًا على الإجهاد المطبق أو مدة الإجهاد.

يشمل مصطلح "غير نيوتني" مجموعة واسعة من سلوكيات السوائل التي لا تتبع قانون نيوتن للزوجة. ينص هذا القانون على أن إجهاد القص (τ) يتناسب طرديًا مع معدل القص (γ)، حيث يكون ثابت التناسب هو اللزوجة (μ). رياضيًا، يتم التعبير عن هذه العلاقة على النحو التالي:

τ = μγ

ومع ذلك، لا تخضع السوائل غير النيوتونية لهذه العلاقة الخطية البسيطة. يمكن أن تزيد لزوجتها (التكثيف بالقص) أو تقل (الترقق بالقص) مع زيادة معدل القص، أو قد تظهر سلوكًا يعتمد على الوقت، مثل اللزوجة أو الثبات.

كيف تعمل السوائل غير النيوتونية

ينشأ السلوك الفريد للسوائل غير النيوتونية من بنيتها الدقيقة المعقدة. غالبًا ما تحتوي هذه السوائل على جزيئات معلقة أو جزيئات طويلة السلسلة أو بوليمرات متشابكة تتفاعل مع بعضها البعض ومع السائل المحيط بها بطرق معقدة.

عندما يتعرض سائل غير نيوتوني لإجهاد قص، فإن البنية الدقيقة تخضع لتغيرات تؤثر على لزوجة السائل. على سبيل المثال:

• في السوائل التي يتم تكثيفها عن طريق القص، قد تشكل الجسيمات أو الجزيئات مجموعات أو سلاسل مؤقتة تقاوم التدفق، مما يزيد من اللزوجة.
• في السوائل الرقيقة بالقص، يمكن للإجهاد المطبق أن يتسبب في محاذاة الجزيئات أو انفصالها، مما يقلل من اللزوجة.
• قد تظهر السوائل المعتمدة على الوقت تحللًا (ثيكسوتروبيا) أو تراكمًا (ريوبيكسي) في بنيتها الدقيقة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تغييرات في اللزوجة.

يعتمد السلوك المحدد للسائل غير النيوتوني على عوامل مثل حجم وشكل وتركيز الجسيمات المعلقة، بالإضافة إلى التفاعلات بينها وبين السائل المحيط بها.

السوائل النيوتونية مقابل السوائل غير النيوتونية

أنواع السلوك غير النيوتوني

يمكن تصنيف السوائل غير النيوتونية على نطاق واسع إلى فئتين بناءً على استجابتها للإجهاد المطبق: السوائل المعتمدة على الإجهاد والسوائل المعتمدة على الوقت.

السوائل التي تعتمد على الإجهاد

تظهر السوائل المعتمدة على الإجهاد تغيرًا في اللزوجة كدالة لإجهاد القص المطبق. هناك نوعان رئيسيان من السوائل غير النيوتونية المعتمدة على الإجهاد:

• سوائل تكثيف القص (السوائل الموسعة):تشهد هذه السوائل زيادة في اللزوجة مع زيادة معدل القص. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك خليط من نشا الذرة والماء، والذي يشار إليه غالبًا باسم "أوبلك". فعند تعرضه لضغط مفاجئ، مثل التحريك أو الاصطدام، يصبح السائل أكثر مقاومة للتدفق، ويبدو وكأنه صلب تقريبًا. ويعزى هذا السلوك إلى تكوين مجموعات جسيمات مؤقتة تعيق التدفق.
• سوائل القص الرقيقة (السوائل شبه البلاستيكية):على النقيض من سوائل التكثيف بالقص، فإن سوائل التخفيف بالقص تظهر انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص. تندرج العديد من المواد الشائعة، مثل الكاتشب والطلاء والشامبو، ضمن هذه الفئة. في حالة السكون، تتمتع هذه السوائل بلزوجة أعلى، ولكن مع تطبيق إجهاد القص (على سبيل المثال، الضغط على زجاجة كاتشب)، تنخفض اللزوجة، مما يسمح للسائل بالتدفق بسهولة أكبر. غالبًا ما يكون هذا السلوك بسبب محاذاة أو فك تشابك الجزيئات طويلة السلسلة تحت القص.

اللزوجة المعتمدة على الوقت

تظهر السوائل غير النيوتونية المعتمدة على الزمن تغيرًا في اللزوجة بمرور الوقت عند تعرضها لمعدل قص ثابت. هناك نوعان رئيسيان من السلوك غير النيوتوني المعتمد على الزمن:

• السوائل المتغيرة الانسيابية:تتعرض السوائل الثيكسوتروبية لانخفاض في اللزوجة بمرور الوقت عند تعرضها لمعدل قص ثابت. هذا السلوك قابل للعكس، مما يعني أن السائل سيستعيد لزوجته الأصلية بمجرد إزالة إجهاد القص. ومن الأمثلة الشائعة على السوائل الثيكسوتروبية الزبادي. فعند التقليب، يصبح الزبادي أقل لزوجة ويتدفق بسهولة أكبر، لكنه سيستعيد سمكه تدريجيًا بمجرد تركه دون إزعاج. غالبًا ما يُعزى اللزوجة إلى انهيار التفاعلات الدقيقة تحت القص.
• السوائل الريوبيكتيكية:تظهر السوائل الريوبكتيكية، المعروفة أيضًا بالسوائل المضادة للثيكسوتروبيك، سلوكًا معاكسًا للسوائل الثيكسوتروبيك. تشهد هذه السوائل زيادة في اللزوجة بمرور الوقت عند تعرضها لمعدل قص ثابت. السلوك الريوبكتيكي أقل شيوعًا من السلوك الثيكسوتروبي وغالبًا ما يُلاحظ في أنواع معينة من الهلاميات والمعلقات. ومن الأمثلة على السوائل الريوبكتيكية تعليق الجبس في الماء. عند القص، تشكل جزيئات الجبس شبكات مترابطة، مما يزيد من لزوجة التعليق.

أمثلة يومية للسوائل غير النيوتونية

السوائل غير النيوتونية أكثر شيوعًا في حياتنا اليومية مما قد يظن المرء. فيما يلي بعض الأمثلة اليومية:

1. كاتشب:الكاتشب هو سائل يعمل على ترقيق القوام. فعندما تنقر على قاع زجاجة الكاتشب، فإنك تطبق ضغط قص مفاجئ، مما يتسبب في ترقيق القوام وتدفقه خارج الزجاجة بسهولة أكبر.
2. معجون أسنان:معجون الأسنان هو مثال آخر على السوائل التي تعمل على ترقيق الأسنان. فهو يكون سميكًا ولزجًا عند عصره من الأنبوب، ولكنه يصبح رقيقًا وينتشر بسهولة عند تنظيف الأسنان بالفرشاة.
3. دم:الدم هو سائل معقد غير نيوتوني يظهر سلوكًا رقيقًا. تسمح هذه الخاصية للدم بالتدفق بكفاءة عبر الشعيرات الدموية الضيقة في الجسم.
4. طلاء:تعتبر العديد من الدهانات سوائل تخفيف بالقص. فهي تكون سميكة عند تطبيقها باستخدام فرشاة أو بكرة ولكنها تصبح رقيقة ومستوية بسلاسة عند فردها على السطح.
5. الرمال المتحركة:الرمال المتحركة عبارة عن سائل سميك. عند تحريكها، تتشابك جزيئات الرمل معًا، مما يزيد من اللزوجة ويجعل من الصعب الهروب.
6. خليط النشا والماء:غالبًا ما يشار إلى هذا الخليط باسم "oobleck"، وهو مثال كلاسيكي لسائل تكثيف القص. يتصرف مثل السائل عندما يتم تحريكه ببطء ولكنه يتصلب عندما يتعرض لصدمة مفاجئة.
7. المعجون السخيف:Silly Putty عبارة عن مادة لزجة مرنة تظهر خصائص السوائل والصلابة. يمكنها التدفق ببطء تحت وزنها الخاص ولكنها ترتد مثل المادة الصلبة عند سقوطها.
8. مايونيز:المايونيز هو سائل رقيق يتميز بخصائص لزجة. فهو سميك ولزج عندما يكون في حالة سكون ولكنه يصبح رقيقًا وينتشر بسهولة عند تحريكه أو قصه.