Dezvăluirea fluidelor non-newtoniene: un ghid cuprinzător

Probabil ați auzit de fluide care par să sfideze legile fizicii – lichide care se solidifică brusc atunci când sunt lovite sau geluri care curg liber până când sunt agitate. Aceste substanțe ciudate, cunoscute sub numele de fluide non-newtoniene, se comportă destul de diferit față de fluidele familiare pe care le întâlnim zilnic. Pe măsură ce oamenii de știință și inginerii descoperă mai multe despre aceste materiale deosebite, aplicațiile lor în domenii de la aerospațial la medicină continuă să se extindă.

În acest ghid cuprinzător, ne vom scufunda în elementele fundamentale ale mecanicii fluidelor non-newtoniene. Vom explora ceea ce le diferențiază de fluidele convenționale, diferitele tipuri de comportament non-newtonian și exemplele de zi cu zi pe care le puteți recunoaște.

Ce sunt fluidele non-newtoniene

Fluidele non-newtoniene sunt o clasă de fluide care prezintă un comportament unic în comparație cu omologii lor newtonieni. Spre deosebire de fluidele newtoniene, care au o relație liniară între efortul de forfecare și viteza de forfecare, fluidele non-newtoniene se abat de la această liniaritate. Aceasta înseamnă că vâscozitatea lor, sau rezistența la curgere, se modifică în funcție de solicitarea aplicată sau de durata tensiunii.

Termenul „non-newtonian” cuprinde o gamă largă de comportamente fluide care nu respectă legea viscozității a lui Newton. Această lege prevede că efortul de forfecare (τ) este direct proporțională cu viteza de forfecare (γ), constanta de proporționalitate fiind vâscozitatea (μ). Din punct de vedere matematic, această relație se exprimă astfel:

τ = μγ

Cu toate acestea, fluidele non-newtoniene nu se supun acestei relații liniare simple. Vâscozitatea lor poate crește (îngroșare prin forfecare) sau scădea (subțiere prin forfecare) odată cu creșterea ratei de forfecare sau pot prezenta un comportament dependent de timp, cum ar fi tixotropia sau reopexia.

Cum funcționează fluidele non-newtoniene

Comportamentul unic al fluidelor non-newtoniene rezultă din microstructurile lor complexe. Aceste fluide conțin adesea particule în suspensie, molecule cu lanț lung sau polimeri încurcați care interacționează între ele și fluidul înconjurător în moduri complicate.

Atunci când un fluid non-newtonian este supus unei solicitări de forfecare, microstructura suferă modificări care afectează vâscozitatea fluidului. De exemplu:

• În fluidele care îngroșează prin forfecare, particulele sau moleculele pot forma grupuri sau lanțuri temporare care rezistă curgerii, crescând vâscozitatea.
• În fluidele de subțiere prin forfecare, stresul aplicat poate determina alinierea sau descurcarea moleculelor, reducând vâscozitatea.
• Fluidele dependente de timp pot prezenta o defalcare (tixotropie) sau acumulare (reopexie) a microstructurii lor în timp, ducând la modificări ale vâscozității.

Comportamentul specific al unui fluid non-newtonian depinde de factori precum dimensiunea, forma și concentrația particulelor în suspensie, precum și de interacțiunile dintre acestea și fluidul înconjurător.

Fluide newtoniene vs. nenewtoniene

Tipuri de comportament non-newtonian

Fluidele non-newtoniene pot fi clasificate pe scară largă în două categorii în funcție de răspunsul lor la stresul aplicat: fluide dependente de stres și fluide dependente de timp.

Fluide dependente de stres

Fluidele dependente de efort prezintă o modificare a vâscozității în funcție de solicitarea de forfecare aplicată. Există două tipuri principale de fluide non-newtoniene dependente de stres:

• Fluide de îngroșare prin forfecare (dilatatoare).: Aceste fluide experimentează o creștere a vâscozității odată cu creșterea ratei de forfecare. Un exemplu clasic este un amestec de amidon de porumb și apă, adesea denumit „oobleck”. Când este supus unei solicitări bruște, cum ar fi agitarea sau impactul, fluidul devine mai rezistent la curgere, aproape parând solid. Acest comportament este atribuit formării de clustere temporare de particule care împiedică fluxul.
• Fluide de subțiere prin forfecare (pseudoplastice).: Spre deosebire de fluidele care îngroșează prin forfecare, fluidele care subțiază prin forfecare prezintă o scădere a vâscozității odată cu creșterea ratei de forfecare. Multe substanțe comune, cum ar fi ketchup-ul, vopseaua și șamponul, se încadrează în această categorie. În repaus, aceste fluide au o vâscozitate mai mare, dar pe măsură ce se aplică efort de forfecare (de exemplu, strângerea unei sticle de ketchup), vâscozitatea scade, permițând fluidului să curgă mai ușor. Acest comportament se datorează adesea alinierii sau dezlipirii moleculelor cu lanț lung sub forfecare.

Vâscozitate dependentă de timp

Fluidele non-newtoniene dependente de timp prezintă o modificare a vâscozității în timp atunci când sunt supuse unei viteze de forfecare constantă. Există două tipuri principale de comportament non-newtonian dependent de timp:

• Fluide tixotrope: Fluidele tixotrope experimentează o scădere a vâscozității în timp atunci când sunt supuse unei viteze de forfecare constantă. Acest comportament este reversibil, ceea ce înseamnă că fluidul își va recăpăta vâscozitatea inițială odată ce solicitarea de forfecare este îndepărtată. Un exemplu comun de lichid tixotrop este iaurtul. Când este amestecat, iaurtul devine mai puțin vâscos și curge mai ușor, dar își va recăpăta treptat grosimea odată lăsat nederanjat. Tixotropia este adesea atribuită defalcării interacțiunilor microstructurale sub forfecare.
• Fluide reopectice: Fluidele reopectice, cunoscute și ca fluide anti-tixotrope, prezintă comportamentul opus fluidelor tixotrope. Aceste fluide experimentează o creștere a vâscozității în timp atunci când sunt supuse unei viteze de forfecare constantă. Comportamentul reopectic este mai puțin frecvent decât tixotropia și este adesea observat în anumite tipuri de geluri și suspensii. Un exemplu de fluid reopectic este o suspensie de gips în apă. Când sunt forfecate, particulele de gips formează rețele interconectate, crescând vâscozitatea suspensiei.

Exemple zilnice de fluide non-newtoniene

Fluidele non-newtoniene sunt mai frecvente în viața noastră de zi cu zi decât s-ar putea crede. Iată câteva exemple de zi cu zi:

1. Ketchup: Ketchup-ul este un fluid care diluează prin forfecare. Când bateți fundul unei sticle de ketchup, aplicați o forță de forfecare bruscă, ceea ce face ca ketchup-ul să se subțieze și să curgă mai ușor din sticlă.
2. Pastă de dinţi: Pasta de dinți este un alt exemplu de fluid de subțiere prin forfecare. Este gros și vâscos atunci când este stors din tub, dar se subțiază și se răspândește ușor atunci când este periat pe dinți.
3. Sânge: Sângele este un fluid complex non-newtonian care prezintă un comportament de subțiere prin forfecare. Această proprietate permite sângelui să curgă eficient prin capilarele înguste ale corpului.
4. Vopsea: Multe vopsele sunt fluide de diluare prin forfecare. Ele sunt groase atunci când sunt aplicate cu o pensulă sau o rolă, dar se subțiază și se nivelează fără probleme atunci când sunt răspândite pe o suprafață.
5. Nisipuri mişcătoare: Nisipurile mișcătoare sunt un fluid care îngroașă prin forfecare. Când sunt agitate, particulele de nisip se blochează împreună, crescând vâscozitatea și făcând dificilă evacuarea.
6. Amestecul de amidon de porumb și apă: Adesea denumit „oobleck”, acest amestec este un exemplu clasic de fluid de îngroșare prin forfecare. Se comportă ca un lichid când este amestecat încet, dar se solidifică atunci când este supus unui impact brusc.
7. Chit prostesc: Silly Putty este un material vâscoelastic care prezintă atât proprietăți fluide, cât și solide. Poate curge încet sub propria greutate, dar va sări ca un solid atunci când este scăpat.
8. Maioneză: Maioneza este un fluid de diluare prin forfecare care prezintă, de asemenea, un comportament tixotrop. Este groasă și vâscoasă când este în repaus, dar se subțiază și se întinde ușor atunci când este amestecată sau tăiată.