비뉴턴 유체의 베일을 벗기다: 포괄적인 가이드

물리 법칙을 거스르는 것처럼 보이는 유체에 대해 들어보셨을 것입니다. 충격을 받으면 갑자기 응고되는 액체나 흔들기 전까지 자유롭게 흐르는 젤입니다. 비뉴턴 유체라고 알려진 이러한 이상한 물질은 우리가 매일 접하는 익숙한 유체와는 상당히 다르게 거동합니다. 과학자와 엔지니어가 이러한 특이한 물질에 대해 더 많이 알아냄에 따라 항공우주에서 의학에 이르기까지 다양한 분야에서 응용 분야가 계속 확대되고 있습니다.

이 포괄적인 가이드에서는 비뉴턴 유체 역학의 기본에 대해 알아보겠습니다. 기존 유체와 비뉴턴 유체 역학을 구분하는 점, 다양한 유형의 비뉴턴 거동, 그리고 여러분이 알아볼 수 있는 일상적인 예를 살펴보겠습니다.

비뉴턴 유체란 무엇인가

비뉴턴 유체는 뉴턴 유체와 비교하여 독특한 행동을 보이는 유체 종류입니다.. 전단 응력과 전단 속도 사이에 선형 관계가 있는 뉴턴 유체와 달리 비뉴턴 유체는 이 선형성에서 벗어납니다. 즉, 점도 또는 흐름에 대한 저항은 적용되는 응력 또는 응력의 지속 시간에 따라 변합니다.

"비뉴턴"이라는 용어는 뉴턴의 점성 법칙을 따르지 않는 광범위한 유체 거동을 포괄합니다. 이 법칙은 전단 응력(τ)이 전단 속도(γ)에 직접 비례하고 비례 상수는 점성(μ)이라고 명시합니다. 수학적으로 이 관계는 다음과 같이 표현됩니다.

τ = μγ

그러나 비뉴턴 유체는 이 간단한 선형 관계를 따르지 않습니다. 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 증가(전단 농축) 또는 감소(전단 희석)할 수 있으며, 틱소트로피 또는 레오펙시와 같은 시간 의존적 거동을 보일 수 있습니다.

비뉴턴 유체의 작동 원리

비뉴턴 유체의 독특한 거동은 복잡한 미세 구조에서 비롯됩니다. 이러한 유체는 종종 서로와 주변 유체와 복잡한 방식으로 상호 작용하는 부유 입자, 긴 사슬 분자 또는 얽힌 폴리머를 포함합니다.

비뉴턴 유체가 전단 응력을 받으면 미세 구조가 유체의 점도에 영향을 미치는 변화를 겪습니다. 예를 들어:

• 전단 농화 유체에서 입자나 분자는 흐름을 방해하여 점도를 증가시키는 일시적인 클러스터나 사슬을 형성할 수 있습니다.
• 전단 희석 유체의 경우, 가해지는 응력으로 인해 분자가 정렬되거나 풀리면서 점도가 감소할 수 있습니다.
• 시간에 따른 유체는 시간이 지남에 따라 미세구조의 파괴(틱소트로피) 또는 축적(레오펙시)이 나타날 수 있으며, 이로 인해 점도가 변할 수 있습니다.

비뉴턴 유체의 구체적인 행동은 현탁 입자의 크기, 모양, 농도와 같은 요인과 주변 유체와 입자 간의 상호 작용에 따라 달라집니다.

뉴턴유체 vs. 비뉴턴유체

비뉴턴적 행동의 유형

비뉴턴 유체는 가해지는 응력에 대한 반응을 기준으로 크게 응력 의존 유체와 시간 의존 유체의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

응력에 따라 변하는 유체

응력 의존성 유체는 적용된 전단 응력의 함수로서 점도의 변화를 보입니다. 응력 의존성 비뉴턴 유체에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

• 전단농축(팽창)유체: 이러한 유체는 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 증가합니다. 전형적인 예로는 옥수수 전분과 물의 혼합물로, 종종 "우블렉"이라고 합니다. 교반이나 충격과 같은 갑작스러운 응력을 받으면 유체는 흐름에 대한 저항력이 커져 거의 고체처럼 보입니다. 이러한 거동은 흐름을 방해하는 일시적인 입자 클러스터가 형성되기 때문입니다.
• 전단 희석(가소성) 유체: 전단 농축 유체와 대조적으로 전단 희석 유체는 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 감소합니다. 케첩, 페인트, 샴푸와 같은 많은 일반적인 물질이 이 범주에 속합니다. 정지 상태에서 이러한 유체는 점도가 더 높지만 전단 응력이 가해지면(예: 케첩 병을 짜는 경우) 점도가 감소하여 유체가 더 쉽게 흐를 수 있습니다. 이러한 거동은 종종 전단 하에서 긴 사슬 분자의 정렬 또는 풀림으로 인해 발생합니다.

시간에 따른 점도

시간 의존적 비뉴턴 유체는 일정한 전단 속도에 노출될 때 시간이 지남에 따라 점도가 변합니다. 시간 의존적 비뉴턴 거동에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

• 요변성 유체: 틱소트로피성 유체는 일정한 전단 속도에 노출되면 시간이 지남에 따라 점도가 감소합니다. 이 거동은 가역적이므로 전단 응력이 제거되면 유체가 원래 점도를 회복합니다. 틱소트로피성 유체의 일반적인 예로는 요거트가 있습니다. 저으면 요거트의 점도가 낮아지고 더 쉽게 흐르지만 방해받지 않으면 점차 두께를 회복합니다. 틱소트로피는 종종 전단 하에서 미세 구조적 상호 작용이 파괴되는 데 기인합니다.
• 레오펙틱 유체: 류피텍틱 유체는 항티크소트로픽 유체라고도 하며, 류피텍틱 유체와 반대의 거동을 보입니다. 이러한 유체는 일정한 전단 속도에 노출되면 시간이 지남에 따라 점도가 증가합니다. 류피텍틱 거동은 류피텍틱보다 덜 흔하며 특정 유형의 겔과 현탁액에서 종종 관찰됩니다. 류피텍틱 유체의 한 예는 물 속의 석고 현탁액입니다. 전단되면 석고 입자가 상호 연결된 네트워크를 형성하여 현탁액의 점도가 증가합니다.

비뉴턴 유체의 일상적 예

비뉴턴 유체는 생각보다 우리 일상생활에서 흔합니다. 다음은 몇 가지 일상적인 예입니다.

1. 케첩: 케첩은 전단 묽게 하는 액체입니다. 케첩 병의 바닥을 두드리면 갑작스러운 전단 응력이 가해져 케첩이 묽어지고 병에서 더 쉽게 흘러나옵니다.
2. 치약: 치약은 전단 희석 유체의 또 다른 예입니다. 튜브에서 짜낼 때는 걸쭉하고 점성이 있지만, 이를 닦으면 묽어지고 쉽게 퍼집니다.
3. 피: 혈액은 전단 희석 행동을 보이는 복잡한 비뉴턴 유체입니다. 이 특성은 혈액이 신체의 좁은 모세혈관을 통해 효율적으로 흐를 수 있게 합니다.
4. 페인트: 많은 페인트는 전단 희석 유체입니다. 브러시나 롤러로 바르면 걸쭉하지만 표면에 펴 바르면 묽어지고 매끄럽게 평평해집니다.
5. 유사: 유사는 전단 농축 유체입니다. 교반하면 모래 입자가 서로 잠겨 점도가 증가하고 빠져나오기 어렵게 만듭니다.
6. 옥수수전분과 물 혼합물: 종종 "우블렉"이라고도 불리는 이 혼합물은 전단 농축 유체의 전형적인 예입니다. 천천히 저으면 액체처럼 거동하지만 갑자기 충격을 받으면 응고됩니다.
7. 실리 퍼티: 실리 퍼티는 유체와 고체의 특성을 모두 나타내는 점탄성 재료입니다. 자체 무게로 느리게 흐를 수 있지만 떨어뜨리면 고체처럼 튀게 됩니다.
8. 마요네즈: 마요네즈는 전단 희석 유체이며 또한 틱소트로픽 거동을 보입니다. 정지 상태에서는 걸쭉하고 점성이 있지만 저어주거나 전단하면 묽어지고 쉽게 퍼집니다.