ما هي السوائل النيوتونية وغير النيوتونية؟

هل تساءلت يومًا عن أنواع السوائل المختلفة؟

السوائل هي مواد يمكن أن تتدفق وتتشوه تحت الضغط. أنها تأتي في فئتين رئيسيتين: النيوتونية وغير النيوتونية.

السوائل النيوتونية لها لزوجة ثابتة، بينما السوائل غير النيوتونية تغير لزوجتها تحت الضغط.

ما هو السائل النيوتوني

السائل النيوتوني هو نوع من السوائل يظهر علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. تظل هذه العلاقة ثابتة بغض النظر عن القوة المطبقة.

تتبع الموائع النيوتونية قانون اللزوجة لنيوتن، والذي ينص على أن إجهاد القص يتناسب طرديًا مع معدل إجهاد القص. يتميز هذا السلوك بمعامل لزوجة ثابت.

الخصائص الرئيسية للسائل النيوتوني

اللزوجة الثابتة

تظل لزوجة السائل النيوتوني ثابتة عند معدلات القص المتفاوتة. تميز هذه الخاصية السوائل النيوتونية عن نظيراتها غير النيوتونية.

بغض النظر عن القوة المطبقة، تظل مقاومة السائل للتدفق دون تغيير. هذه الخاصية تجعل السوائل النيوتونية قابلة للتنبؤ بها وأسهل في النمذجة الرياضية.

علاقة خطية

تظهر السوائل النيوتونية علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. يتم تمثيل هذه العلاقة بخط مستقيم على الرسم البياني الذي يرسم إجهاد القص مقابل معدل القص.

يمثل ميل هذا الخط لزوجة السائل. بالنسبة للسوائل النيوتونية، يظل هذا المنحدر ثابتًا عبر نطاق واسع من معدلات القص.

أمثلة على السوائل النيوتونية

• ماء: الماء هو المثال الأكثر شيوعاً للسوائل النيوتونية. تظل لزوجته ثابتة في الظروف العادية، مما يجعله مثاليًا لمختلف التطبيقات في ميكانيكا الموائع.
• هواء: الهواء، مثل معظم الغازات، يتصرف كسائل نيوتوني في الظروف العادية. لزوجته مستقلة عن معدل القص، مما يسمح بخصائص تدفق متسقة في العمليات الجوية والتطبيقات الديناميكية الهوائية.
• عسل: على الرغم من لزوجته العالية، فإن العسل يظهر السلوك النيوتوني. تظل خصائص تدفقه ثابتة بغض النظر عن القوة المطبقة، مما يجعله مثالًا فريدًا للمائع النيوتوني اللزج.

ما هي السوائل غير النيوتونية؟

السوائل غير النيوتونية هي سوائل معقدة لا تتبع قانون اللزوجة لنيوتن. تتغير لزوجتها مع معدل القص أو الإجهاد المطبق.

على عكس السوائل النيوتونية، التي تحافظ على لزوجة ثابتة، تظهر السوائل غير النيوتونية لزوجة متغيرة في ظل ظروف تدفق مختلفة. وينتج هذا السلوك عن بنيتها الجزيئية المعقدة أو جزيئاتها العالقة.

أنواع السوائل غير النيوتونية

السوائل المستقلة عن الزمن

تظهر هذه السوائل تغيرات فورية في اللزوجة مع معدل القص، بغض النظر عن مدة تطبيق القص.

• سوائل ترقق القص (الكاذبة).: تواجه سوائل ترقق القص انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص. وتشمل الأمثلة الشائعة الكاتشب والطلاء والدم.
• سوائل سماكة القص (الموسعة).: تظهر سوائل سماكة القص زيادة في اللزوجة مع زيادة معدل القص. تُظهر مخاليط نشا الذرة والماء وبعض محاليل البوليمر هذا السلوك.
• إنتاج سوائل الإجهاد: تتطلب هذه السوائل الحد الأدنى من الإجهاد (إجهاد الخضوع) لبدء التدفق. يعد معجون الأسنان وملاط الأسمنت أمثلة على سوائل إجهاد الإنتاج.

السوائل المعتمدة على الوقت

تتغير لزوجة هذه السوائل مع معدل القص ومدة تطبيق القص.

• السوائل المتغيرة الانسيابية:
  تُظهر السوائل المتغيرة الانسيابية انخفاضًا في اللزوجة بمرور الوقت عند تعرضها للقص المستمر. تظهر العديد من المواد الهلامية والمعلقات سلوكًا متغيرًا.
• السوائل الريوبيكتيكية: تشهد السوائل الريوبتيكية زيادة في اللزوجة بمرور الوقت في ظل القص المستمر. وهذا السلوك أقل شيوعًا ولكن يمكن ملاحظته في بعض مواد التشحيم.

السوائل اللزجة

تظهر السوائل اللزجة خصائص لزجة ومرنة. تظهر انتعاشًا مرنًا جزئيًا عند إزالة التوتر.

تعرض محاليل البوليمر وبعض السوائل البيولوجية مثل السائل الزليلي سلوكًا لزجًا مرنًا.

أمثلة على السوائل غير النيوتونية

• السوائل البيولوجية: الدم هو مثال ساطع للسائل غير النيوتوني في جسم الإنسان. تنخفض لزوجته مع زيادة معدل القص، مما يسهل التدفق عبر الأوعية الدموية.
• البوليمرات وحلول البوليمر: تظهر العديد من محاليل البوليمر سلوكًا غير نيوتوني. تؤدي تركيباتها الجزيئية المعقدة إلى لزوجة تعتمد على القص.
• تعليق: غالبًا ما تعرض معلقات الجسيمات خصائص غير نيوتونية. يؤدي التفاعل بين الجزيئات والوسط المعلق إلى سلوكيات تدفق معقدة.
• منتجات الطعام: المواد الغذائية المختلفة، مثل المايونيز واللبن والعسل، تظهر خصائص غير نيوتونية.
• السوائل الصناعية: طين الحفر ومواد التشحيم والدهانات هي أمثلة على السوائل غير النيوتونية المستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية.

الاختلافات الرئيسية بين السوائل النيوتونية وغير النيوتونية

استجابة اللزوجة للإجهاد التطبيقي

تحافظ السوائل النيوتونية على لزوجة ثابتة بغض النظر عن الإجهاد المطبق. تظهر السوائل غير النيوتونية لزوجة متغيرة اعتمادًا على معدل القص.

سلوك التدفق وأنماطه

توضح الموائع النيوتونية وجود علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. تظهر السوائل غير النيوتونية سلوكًا غير خطي.

تعرض بعض السوائل غير النيوتونية خصائص ترقق القص أو سماكة القص. وهذا يؤثر على خصائص التدفق في ظل ظروف مختلفة.

التحديات في التعامل مع السوائل غير النيوتونية

تتطلب معالجة السوائل غير النيوتونية معدات وتقنيات متخصصة. تعمل اللزوجة المتغيرة على تعقيد توقعات التدفق وكفاءة المضخة.

أساسيات ميكانيكا الموائع

قلق

إجهاد القص هو قوة مطبقة بالتوازي على سطح المادة. في ميكانيكا الموائع، يحدث ذلك عندما تتحرك طبقات متجاورة من الموائع بسرعات مختلفة. وهذا يخلق تأثير يشبه الاحتكاك بين الطبقات.

يعتمد حجم إجهاد القص على خصائص السائل وتدرج السرعة. إنه يلعب دورًا حاسمًا في تحديد سلوك السوائل، خاصة في السوائل النيوتونية غير ###.

معدل القص

يقيس معدل القص مدى سرعة تحرك طبقات السائل المجاورة لبعضها البعض. وهو يمثل معدل تغير السرعة المتعامدة مع اتجاه القص.

في تدفق الأنابيب، يختلف معدل القص عبر قطر الأنبوب. إنه الأعلى بالقرب من جدران الأنابيب والأدنى في المركز. يؤثر هذا الاختلاف على خصائص تدفق السائل.

اللزوجة

تحدد اللزوجة مقاومة السائل للتدفق. يصف الاحتكاك الداخلي للسائل المتحرك. تتدفق السوائل ذات اللزوجة العالية، مثل العسل، بشكل أبطأ من السوائل ذات اللزوجة المنخفضة، مثل الماء.

يمكن تصنيف اللزوجة على أنها ديناميكية أو حركية. اللزوجة الديناميكية تربط إجهاد القص بمعدل القص. اللزوجة الحركية هي نسبة اللزوجة الديناميكية إلى كثافة السوائل.

ختاماً

تختلف السوائل النيوتونية وغير النيوتونية في سلوكها تحت الضغط. إن فهم هذه الخصائص أمر بالغ الأهمية في مختلف الصناعات والحياة اليومية.

استكشف المزيد لتكتشف كيف تؤثر هذه السوائل على البيئة المحيطة بك. شارك معرفتك الجديدة مع الآخرين لإثارة الفضول حول ديناميكيات الموائع.