هل تساءلت يومًا عن أنواع السوائل المختلفة؟
السوائل موادٌ قادرة على التدفق والتشوه تحت الضغط. وتنقسم إلى فئتين رئيسيتين: نيوتونية وغير نيوتونية.
تتمتع السوائل النيوتونية بلزوجة ثابتة، في حين أن السوائل غير النيوتونية تغير لزوجتها تحت الضغط.
ما هو السائل النيوتوني
السائل النيوتوني هو نوع من السوائل يُظهر علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. تبقى هذه العلاقة ثابتة بغض النظر عن القوة المؤثرة.
تتبع السوائل النيوتونية قانون نيوتن للزوجة، الذي ينص على أن إجهاد القص يتناسب طرديًا مع معدل انفعال القص. يتميز هذا السلوك بثبات معامل اللزوجة.
الخصائص الرئيسية للسائل النيوتوني
اللزوجة الثابتة
تظل لزوجة السوائل النيوتونية ثابتة عند تغير معدلات القص. هذه الخاصية تُميز السوائل النيوتونية عن نظيراتها غير النيوتونية.
بغض النظر عن القوة المطبقة، تبقى مقاومة السائل للتدفق ثابتة. هذه الخاصية تجعل السوائل النيوتونية قابلة للتنبؤ بها، وأسهل نمذجتها رياضيًا.
علاقة خطية
تُظهر السوائل النيوتونية علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. تُمثَّل هذه العلاقة بخط مستقيم على رسم بياني يُظهر العلاقة بين إجهاد القص ومعدل القص.
يمثل ميل هذا الخط لزوجة السائل. في السوائل النيوتونية، يبقى هذا الميل ثابتًا عبر نطاق واسع من معدلات القص.
أمثلة على السوائل النيوتونية
- مياه الماء هو المثال الأكثر شيوعًا على السوائل النيوتونية. تظل لزوجته ثابتة في الظروف العادية، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات متنوعة في ميكانيكا الموائع.
- هواءالهواء، كمعظم الغازات، يتصرف كسائل نيوتوني في الظروف العادية. لزوجته مستقلة عن معدل القص، مما يسمح بخصائص تدفق ثابتة في العمليات الجوية والتطبيقات الديناميكية الهوائية.
- عسلعلى الرغم من لزوجته العالية، يُظهر العسل سلوكًا نيوتنيًا. تبقى خصائص تدفقه ثابتة بغض النظر عن القوة المطبقة، مما يجعله مثالًا فريدًا على السوائل النيوتونية اللزج.
ما هي السوائل غير النيوتونية
السوائل غير النيوتونية هي سوائل معقدة لا تخضع لقانون نيوتن للزوجة. تتغير لزوجتها مع معدل القص أو الإجهاد المطبق.
بخلاف السوائل النيوتونية التي تحافظ على لزوجة ثابتة، تُظهر السوائل غير النيوتونية لزوجة متغيرة في ظروف تدفق مختلفة. وينتج هذا السلوك عن تركيبها الجزيئي المعقد أو جسيماتها 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 التخفيف بالقص (السوائل شبه البلاستيكية):تشهد سوائل التخفيف القصي انخفاضًا في اللزوجة مع زيادة معدل القص. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك الكاتشب والطلاء والدم.
- سوائل تكثيف القص (الموسعة):تظهر سوائل التكثيف القصي زيادة في اللزوجة مع زيادة معدل القص. تُظهر مخاليط نشا الذرة والماء وبعض محاليل البوليمر هذا السلوك.
- سوائل إجهاد الخضوعتتطلب هذه السوائل إجهادًا أدنى (إجهاد خضوع) لبدء التدفق. معجون الأسنان وعجائن الأسمنت من أمثلة سوائل إجهاد الخضوع.
السوائل المعتمدة على الوقت
تتغير لزوجة هذه السوائل مع كل من معدل القص ومدة تطبيق القص.
- السوائل الثيكسوتروبية:
تُظهر السوائل الثيكسوتروبية انخفاضًا في اللزوجة بمرور الوقت عند تعرضها لقصٍّ مستمر. وتُظهر العديد من المواد الهلامية والمعلقات سلوكًا ثيكسوتروبيًا. - سوائل الريوبيكتيك:تشهد السوائل الريوبكتيكية زيادة في اللزوجة بمرور الوقت تحت تأثير القص المستمر. هذا السلوك أقل شيوعًا، ولكن يمكن ملاحظته في بعض مواد التشحيم.
السوائل اللزجة المرنة
تتميز السوائل اللزجة المرنة بخواص لزجة ومرنة. كما أنها تستعيد مرونتها جزئيًا عند إزالة الإجهاد.
تظهر محاليل البوليمر وبعض السوائل البيولوجية مثل السائل الزليلي سلوكًا لزجًا مرنًا.
أمثلة على السوائل غير النيوتونية
- السوائل البيولوجيةالدم مثالٌ رئيسيٌّ على السوائل غير النيوتونية في جسم الإنسان. تنخفض لزوجته مع زيادة معدل القص، مما يُسهّل تدفقه عبر الأوعية الدموية.
- البوليمرات وحلول البوليمر:تظهر العديد من محاليل البوليمر سلوكًا غير نيوتوني. وتؤدي بنيتها الجزيئية المعقدة إلى لزوجة تعتمد على القص.
- تعليقغالبًا ما تُظهر مُعلَّقات الجسيمات خصائص غير نيوتونية. ويؤدي التفاعل بين الجسيمات والوسط المُعلَّق إلى سلوكيات تدفق مُعقَّدة.
- منتجات مواد غذائية:تظهر العديد من الأطعمة، مثل المايونيز والزبادي والعسل، خصائص غير نيوتونية.
- السوائل الصناعية:تعتبر طين الحفر ومواد التشحيم والدهانات أمثلة على السوائل غير النيوتونية المستخدمة على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية.
الاختلافات الرئيسية بين السوائل النيوتونية وغير النيوتونية
استجابة اللزوجة للإجهاد المطبق
تحافظ السوائل النيوتونية على لزوجتها ثابتةً مهما كان الإجهاد المطبق عليها. أما السوائل غير النيوتونية فتُظهر لزوجة متغيرة تبعًا لمعدل القص.
سلوك التدفق والأنماط
تُظهر السوائل النيوتونية علاقة خطية بين إجهاد القص ومعدل القص. أما السوائل غير النيوتونية فتُظهر سلوكًا غير خطي.
بعض السوائل غير النيوتونية تُظهر خصائص ترقق القص أو تكثيفه. وهذا يؤثر على خصائص تدفقها في ظروف مختلفة.
التحديات في التعامل مع السوائل غير النيوتونية
تتطلب معالجة السوائل غير النيوتونية معدات وتقنيات متخصصة. وتُعقّد لزوجتها المتغيرة توقعات التدفق وكفاءة المضخة.
أساسيات ميكانيكا الموائع
قلق
إجهاد القص هو قوة تُطبّق بالتوازي على سطح مادة. في ميكانيكا الموائع، يحدث هذا عندما تتحرك طبقات مائع متجاورة بسرعات مختلفة، مما يُولّد تأثيرًا شبيهًا بالاحتكاك بين الطبقات.
يعتمد مقدار إجهاد القص على خصائص السائل وتدرج سرعته. ويلعب دورًا حاسمًا في تحديد سلوك السوائل، خاصةً في السوائل غير النيوتونية.
معدل القص
يقيس معدل القص سرعة حركة طبقات السائل المتجاورة. وهو يمثل معدل تغير السرعة عموديًا على اتجاه القص.
في تدفق الأنابيب، يختلف معدل القص عبر قطر الأنبوب. يكون أعلى بالقرب من جدران الأنبوب وأدنى في المنتصف. يؤثر هذا الاختلاف على خصائص تدفق السائل.
لزوجة
اللزوجة هي مقياس لمدى مقاومة السائل للتدفق. وهي تصف الاحتكاك الداخلي للسائل المتحرك. السوائل ذات اللزوجة العالية، مثل العسل، تتدفق ببطء أكثر من السوائل ذات اللزوجة المنخفضة، مثل الماء.
يمكن تصنيف اللزوجة إلى ديناميكية وحركية. اللزوجة الديناميكية هي نسبة إجهاد القص إلى معدل القص. أما اللزوجة الحركية فهي نسبة اللزوجة الديناميكية إلى كثافة السائل.
في الخلاصة
تختلف السوائل النيوتونية وغير النيوتونية في سلوكها تحت الضغط. وفهم هذه الخصائص أمرٌ بالغ الأهمية في مختلف الصناعات وفي الحياة اليومية.
استكشف أكثر لتكتشف كيف تؤثر هذه السوائل على محيطك. شارك معرفتك الجديدة مع الآخرين لإثارة فضولهم حول ديناميكيات السوائل.
