Wat zijn Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Heeft u zich ooit afgevraagd wat de verschillende soorten vloeistoffen zijn?

Vloeistoffen zijn stoffen die onder druk kunnen stromen en vervormen. Ze zijn er in twee hoofdcategorieën: Newtoniaans en niet-Newtoniaans.

Newtoniaanse vloeistoffen hebben een constante viscositeit, terwijl niet-Newtoniaanse vloeistoffen hun viscositeit onder stress veranderen.

Wat is Newtoniaanse vloeistof

Een Newtoniaanse vloeistof is een type vloeistof dat een lineair verband vertoont tussen schuifspanning en schuifsnelheid. Deze relatie blijft constant, ongeacht de uitgeoefende kracht.

Newtoniaanse vloeistoffen volgen de viscositeitswet van Newton, die stelt dat de schuifspanning recht evenredig is met de snelheid van de schuifspanning. Dit gedrag wordt gekenmerkt door een constante viscositeitscoëfficiënt.

Belangrijkste kenmerken van Newtoniaanse vloeistof

Constante viscositeit

De viscositeit van een Newtoniaanse vloeistof blijft constant onder variërende afschuifsnelheden. Deze eigenschap onderscheidt Newtoniaanse vloeistoffen van hun niet-Newtoniaanse tegenhangers.

Ongeacht de uitgeoefende kracht blijft de stromingsweerstand van de vloeistof onveranderd. Deze eigenschap maakt Newtoniaanse vloeistoffen voorspelbaar en gemakkelijker wiskundig te modelleren.

Lineaire relatie

Newtoniaanse vloeistoffen vertonen een lineair verband tussen schuifspanning en schuifsnelheid. Deze relatie wordt weergegeven door een rechte lijn in een grafiek, waarin de schuifspanning wordt uitgezet tegen de schuifsnelheid.

De helling van deze lijn geeft de viscositeit van de vloeistof weer. Voor Newtoniaanse vloeistoffen blijft deze helling constant over een breed scala aan afschuifsnelheden.

Voorbeelden van Newtoniaanse vloeistof

• Water: Water is het meest voorkomende voorbeeld van een Newtoniaanse vloeistof. De viscositeit blijft onder normale omstandigheden constant, waardoor het ideaal is voor diverse toepassingen in de vloeistofmechanica.
• Lucht: Lucht gedraagt zich, zoals de meeste gassen, onder normale omstandigheden als een Newtonse vloeistof. De viscositeit is onafhankelijk van de afschuifsnelheid, waardoor consistente stromingseigenschappen mogelijk zijn in atmosferische processen en aerodynamische toepassingen.
• Honing: Ondanks de hoge viscositeit vertoont honing Newtoniaans gedrag. De vloei-eigenschappen blijven consistent, ongeacht de uitgeoefende kracht, waardoor het een uniek voorbeeld is van een stroperige Newtoniaanse vloeistof.

Wat zijn niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn complexe vloeistoffen die niet voldoen aan de viscositeitswet van Newton. Hun viscositeit verandert met de toegepaste afschuifsnelheid of spanning.

In tegenstelling tot Newtoniaanse vloeistoffen, die een constante viscositeit behouden, vertonen niet-Newtoniaanse vloeistoffen een variabele viscositeit onder verschillende stromingsomstandigheden. Dit gedrag is het gevolg van hun complexe moleculaire structuren of zwevende deeltjes.

Soorten niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Tijdonafhankelijke vloeistoffen

Deze vloeistoffen vertonen onmiddellijke veranderingen in viscositeit met de afschuifsnelheid, ongeacht de duur van de afschuiftoepassing.

• Afschuifverdunnende (pseudoplastische) vloeistoffen: Afschuifverdunningsvloeistoffen ervaren een afname van de viscositeit naarmate de afschuifsnelheid toeneemt. Veel voorkomende voorbeelden zijn ketchup, verf en bloed.
• Afschuifverdikkingsvloeistoffen (dilatante vloeistoffen).: Afschuifverdikkingsvloeistoffen vertonen een toename van de viscositeit bij toenemende afschuifsnelheid. Maïszetmeel-watermengsels en sommige polymeeroplossingen vertonen dit gedrag.
• Opbrengst stressvloeistoffen: Deze vloeistoffen vereisen een minimale spanning (vloeispanning) om de stroming op gang te brengen. Tandpasta- en cementslurries zijn voorbeelden van vloeispanningsvloeistoffen.

Tijdsafhankelijke vloeistoffen

De viscositeit van deze vloeistoffen verandert met zowel de afschuifsnelheid als de duur van de afschuiftoepassing.

• Thixotrope vloeistoffen:
  Thixotrope vloeistoffen vertonen in de loop van de tijd een afname van de viscositeit wanneer ze worden blootgesteld aan constante afschuiving. Veel gels en suspensies vertonen thixotroop gedrag.
• Reopectische vloeistoffen: Rheopectische vloeistoffen ervaren in de loop van de tijd een toename van de viscositeit onder constante afschuiving. Dit gedrag komt minder vaak voor, maar kan bij sommige smeermiddelen worden waargenomen.

Visco-elastische vloeistoffen

Visco-elastische vloeistoffen vertonen zowel viskeuze als elastische eigenschappen. Ze vertonen een gedeeltelijk elastisch herstel na het wegnemen van spanning.

Polymeeroplossingen en sommige biologische vloeistoffen zoals gewrichtsvloeistof vertonen visco-elastisch gedrag.

Voorbeelden van niet-Newtoniaanse vloeistoffen

• Biologische vloeistoffen: Bloed is een goed voorbeeld van een niet-Newtoniaanse vloeistof in het menselijk lichaam. De viscositeit neemt af met toenemende afschuifsnelheid, waardoor de stroming door de bloedvaten wordt vergemakkelijkt.
• Polymeren en polymeeroplossingen: Veel polymeeroplossingen vertonen niet-Newtons gedrag. Hun complexe moleculaire structuren leiden tot afschuifafhankelijke viscositeiten.
• Schorsingen: Deeltjessuspensies vertonen vaak niet-Newtoniaanse kenmerken. De interactie tussen deeltjes en het suspenderende medium resulteert in complex stromingsgedrag.
• Etenswaren: Diverse voedingsmiddelen, zoals mayonaise, yoghurt en honing, vertonen niet-Newtoniaanse eigenschappen.
• Industriële vloeistoffen: Boorspoelingen, smeermiddelen en verven zijn voorbeelden van niet-Newtoniaanse vloeistoffen die veel worden gebruikt in industriële toepassingen.

Belangrijkste verschillen tussen Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Viscositeitsreactie op toegepaste spanning

Newtoniaanse vloeistoffen behouden een constante viscositeit, ongeacht de toegepaste spanning. Niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen een variabele viscositeit, afhankelijk van de afschuifsnelheid.

Stroomgedrag en patronen

Newtoniaanse vloeistoffen laten een lineair verband zien tussen schuifspanning en schuifsnelheid. Niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen niet-lineair gedrag.

Sommige niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen schuifverdunnende of schuifverdikkende eigenschappen. Dit beïnvloedt hun stromingseigenschappen onder verschillende omstandigheden.

Uitdagingen bij het omgaan met niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Het verwerken van niet-Newtoniaanse vloeistoffen vereist gespecialiseerde apparatuur en technieken. Hun variabele viscositeit bemoeilijkt stromingsvoorspellingen en pompefficiëntie.

Grondbeginselen van vloeistofmechanica

Schuifspanning

Schuifspanning is een kracht die evenwijdig aan het oppervlak van een materiaal wordt uitgeoefend. In de vloeistofmechanica komt dit voor wanneer aangrenzende vloeistoflagen met verschillende snelheden bewegen. Hierdoor ontstaat een wrijvingsachtig effect tussen de lagen.

De grootte van de schuifspanning hangt af van de eigenschappen van de vloeistof en de snelheidsgradiënt. Het speelt een cruciale rol bij het bepalen van het vloeistofgedrag, vooral in niet-### Newtoniaanse vloeistoffen.

Afschuifsnelheid

De afschuifsnelheid meet hoe snel aangrenzende vloeistoflagen langs elkaar bewegen. Het vertegenwoordigt de snelheidsverandering loodrecht op de richting van afschuiving.

Bij pijpstroming varieert de afschuifsnelheid over de pijpdiameter. Het is het hoogst bij de pijpwanden en het laagst in het midden. Deze variatie beïnvloedt de stromingseigenschappen van de vloeistof.

Viscositeit

Viscositeit kwantificeert de weerstand van een vloeistof tegen stroming. Het beschrijft de interne wrijving van een bewegende vloeistof. Vloeistoffen met een hogere viscositeit, zoals honing, stromen langzamer dan vloeistoffen met een lagere viscositeit, zoals water.

Viscositeit kan worden gecategoriseerd als dynamisch of kinematisch. Dynamische viscositeit relateert schuifspanning aan afschuifsnelheid. Kinematische viscositeit is de verhouding tussen dynamische viscositeit en vloeistofdichtheid.

Ten slotte

Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen verschillen in hun gedrag onder stress. Het begrijpen van deze eigenschappen is cruciaal in verschillende industrieën en het dagelijks leven.

Ontdek verder om te ontdekken hoe deze vloeistoffen uw omgeving beïnvloeden. Deel uw nieuwe kennis met anderen om nieuwsgierigheid naar vloeistofdynamica te wekken.