ニュートン流体と非ニュートン流体とは何か

液体の種類の違いについて考えたことはありますか?

流体は、圧力を受けて流動したり変形したりできる物質です。流体には、ニュートン流体と非ニュートン流体の 2 つの主なカテゴリがあります。

ニュートン流体は粘度が一定ですが、非ニュートン流体は応力によって粘度が変化します。

ニュートン流体とは何か

ニュートン流体は、せん断応力とせん断速度の間に直線関係を示す流体の一種です。この関係は、加えられる力に関係なく一定です。

ニュートン流体は、せん断応力がせん断ひずみの速度に正比例するというニュートンの粘性法則に従います。この動作は、一定の粘性係数によって特徴付けられます。

ニュートン流体の主な特性

一定の粘度

ニュートン流体の粘度は、せん断速度が変化しても一定のままです。この特性により、ニュートン流体は非ニュートン流体と区別されます。

加えられた力に関係なく、流体の流れに対する抵抗は変化しません。この特性により、ニュートン流体は予測可能になり、数学的にモデル化するのが簡単になります。

線形関係

ニュートン流体は、せん断応力とせん断速度の間に直線関係を示します。この関係は、せん断応力とせん断速度をプロットしたグラフ上で直線として表されます。

この線の傾きは流体の粘度を表します。ニュートン流体の場合、この傾きは広範囲のせん断速度にわたって一定です。

ニュートン流体の例

• 水水はニュートン流体の最も一般的な例です。その粘度は通常の条件下では一定に保たれるため、流体力学のさまざまな用途に最適です。
• 空気空気は、ほとんどのガスと同様に、通常の条件下ではニュートン流体として動作します。その粘度はせん断速度に依存せず、大気プロセスや空気力学的アプリケーションで一貫した流れ特性を実現します。
• ハニー: 蜂蜜は粘度が高いにもかかわらず、ニュートン流体としての性質を示します。その流動特性は加えられた力に関係なく一定に保たれ、粘性ニュートン流体のユニークな例となっています。

非ニュートン流体とは何か

非ニュートン流体は、ニュートンの粘性法則に従わない複雑な流体です。その粘度は、加えられるせん断速度または応力に応じて変化します。

一定の粘度を維持するニュートン流体とは異なり、非ニュートン流体はさまざまな流動条件下で粘度が変化します。この動作は、複雑な分子構造または浮遊粒子によって生じます。

非ニュートン流体の種類

時間に依存しない流体

これらの流体は、せん断の適用期間に関係なく、せん断速度に応じて粘度が即座に変化します。

• せん断減粘性（擬塑性）流体: せん断減粘性流体は、せん断速度が増加すると粘度が低下します。一般的な例としては、ケチャップ、塗料、血液などがあります。
• せん断増粘（ダイラタント）流体: せん断増粘流体は、せん断速度が増加すると粘度が増加します。コーンスターチと水の混合物や一部のポリマー溶液はこの挙動を示します。
• 降伏応力流体これらの流体は、流れを開始するために最小限の応力 (降伏応力) を必要とします。歯磨き粉やセメントスラリーは、降伏応力流体の例です。

時間依存流体

これらの流体の粘度は、せん断速度とせん断適用期間の両方によって変化します。

• チキソトロピック流体:
  チキソトロピー流体は、一定のせん断を受けると時間の経過とともに粘度が低下します。多くのゲルや懸濁液はチキソトロピー挙動を示します。
• レオペクティック流体: レオペクティック流体は、一定のせん断力を受けると時間の経過とともに粘度が増加します。この現象はあまり一般的ではありませんが、一部の潤滑剤で観察されます。

粘弾性流体

粘弾性流体は粘性と弾性の両方の特性を示します。応力が除去されると、部分的な弾性回復を示します。

ポリマー溶液や滑液などの一部の生体液は粘弾性挙動を示します。

非ニュートン流体の例

• 体液血液は人体における非ニュートン流体の代表的な例です。血液の粘度はせん断速度の増加とともに低下し、血管内の流れを促進します。
• ポリマーおよびポリマーソリューション多くのポリマー溶液は非ニュートン挙動を示します。複雑な分子構造により、せん断に依存する粘度が生じます。
• サスペンション: 粒子懸濁液は非ニュートン特性を示すことが多く、粒子と懸濁媒体との相互作用により複雑な流れの挙動が生じます。
• 食品マヨネーズ、ヨーグルト、ハチミツなど、さまざまな食品が非ニュートン特性を示します。
• 工業用流体掘削泥水、潤滑剤、塗料などは、工業用途で広く使用されている非ニュートン流体の例です。

ニュートン流体と非ニュートン流体の主な違い

加えられた応力に対する粘度の応答

ニュートン流体は、加えられた応力に関係なく一定の粘度を維持します。非ニュートン流体は、せん断速度に応じて粘度が変化します。

フローの挙動とパターン

ニュートン流体は、せん断応力とせん断速度の間に線形関係を示します。非ニュートン流体は非線形の挙動を示します。

一部の非ニュートン流体は、ずり流動化またはずり粘稠化の特性を示します。これは、さまざまな条件下での流動特性に影響します。

非ニュートン流体の取り扱いにおける課題

非ニュートン流体の処理には特殊な装置と技術が必要です。粘度が変化するため、流量の予測とポンプの効率が複雑になります。

流体力学の基礎

せん断応力

せん断応力は、材料の表面に平行に作用する力です。流体力学では、隣接する流体の層が異なる速度で移動するときにせん断応力が発生します。これにより、層間に摩擦のような効果が生じます。

せん断応力の大きさは、流体の特性と速度勾配によって決まります。特に、非 ### ニュートン流体の場合、せん断応力は流体の挙動を決定する上で重要な役割を果たします。

せん断速度

せん断速度は、隣接する流体の層が互いに移動する速度を測定します。せん断速度は、せん断方向に対して垂直な速度の変化率を表します。

パイプの流れでは、せん断速度はパイプの直径に応じて変化します。せん断速度はパイプの壁の近くで最も高く、中心で最も低くなります。この変化は流体の流れ特性に影響します。

粘度

粘度は、流体の流れに対する抵抗を数値化したものです。流動する流体の内部摩擦を表します。蜂蜜のような高粘度の流体は、水のような低粘度の流体よりもゆっくりと流れます。

粘度は動的粘度と運動粘度に分類できます。動的粘度はせん断応力とせん断速度を関連付けます。動粘度は、動的粘度と流体の密度の比です。

結論は

ニュートン流体と非ニュートン流体は、応力を受けたときの挙動が異なります。これらの特性を理解することは、さまざまな産業や日常生活において非常に重要です。

さらに詳しく調べて、これらの流体が周囲にどのような影響を与えるかを発見してください。新しく得た知識を他の人と共有して、流体力学への好奇心を刺激してください。