Ce sunt fluidele newtoniene și non-newtoniene

Te-ai întrebat vreodată despre diferitele tipuri de fluide?

Fluidele sunt substanțe care pot curge și deforma sub presiune. Ele vin în două categorii principale: newtoniene și non-newtoniene.

Fluidele newtoniene au o vâscozitate constantă, în timp ce fluidele non-newtoniene își schimbă vâscozitatea sub stres.

Ce este fluidul newtonian

Un fluid newtonian este un tip de fluid care prezintă o relație liniară între efortul de forfecare și viteza de forfecare. Această relație rămâne constantă indiferent de forța aplicată.

Fluidele newtoniene urmează legea viscozității lui Newton, care afirmă că efortul de forfecare este direct proporțional cu rata deformarii de forfecare. Acest comportament este caracterizat de un coeficient de vâscozitate constant.

Caracteristicile cheie ale fluidului newtonian

Vâscozitate constantă

Vâscozitatea unui fluid newtonian rămâne constantă la viteze de forfecare diferite. Această proprietate distinge fluidele newtoniene de omologii lor non-newtonieni.

Indiferent de forța aplicată, rezistența fluidului la curgere rămâne neschimbată. Această caracteristică face fluidele newtoniene predictibile și mai ușor de modelat matematic.

Relație liniară

Fluidele newtoniene prezintă o relație liniară între efortul de forfecare și viteza de forfecare. Această relație este reprezentată printr-o linie dreaptă pe un grafic care prezintă efortul de forfecare în raport cu viteza de forfecare.

Panta acestei linii reprezintă vâscozitatea fluidului. Pentru fluidele newtoniene, această pantă rămâne constantă într-o gamă largă de viteze de forfecare.

Exemple de fluid newtonian

• Apă: Apa este cel mai comun exemplu de fluid newtonian. Vâscozitatea sa rămâne constantă în condiții normale, făcându-l ideal pentru diverse aplicații în mecanica fluidelor.
• Aer: Aerul, ca majoritatea gazelor, se comportă ca un fluid newtonian în condiții normale. Vâscozitatea sa este independentă de viteza de forfecare, permițând caracteristici de curgere consistente în procesele atmosferice și aplicațiile aerodinamice.
• Miere: În ciuda vâscozității sale mari, mierea prezintă un comportament newtonian. Proprietățile sale de curgere rămân consistente indiferent de forța aplicată, făcându-l un exemplu unic de fluid newtonian vâscos.

Ce sunt fluidele non-newtoniene

Fluidele non-newtoniene sunt fluide complexe care nu respectă legea viscozității lui Newton. Vâscozitatea lor se modifică odată cu viteza de forfecare sau solicitarea aplicată.

Spre deosebire de fluidele newtoniene, care mențin o vâscozitate constantă, fluidele non-newtoniene prezintă vâscozitate variabilă în diferite condiții de curgere. Acest comportament rezultă din structurile lor moleculare complexe sau particulele în suspensie.

Tipuri de fluide non-newtoniene

Fluide independente de timp

Aceste fluide prezintă modificări imediate ale vâscozității cu viteza de forfecare, indiferent de durata aplicării forfecării.

• Fluide de subțiere prin forfecare (pseudoplastice).: Fluidele de subțiere prin forfecare suferă o scădere a vâscozității pe măsură ce crește viteza de forfecare. Exemplele comune includ ketchup, vopsea și sânge.
• Fluide de îngroșare (dilatatoare) prin forfecare: Fluidele de îngroșare prin forfecare prezintă o creștere a vâscozității odată cu creșterea ratei de forfecare. Amestecurile de amidon de porumb-apă și unele soluții de polimeri prezintă acest comportament.
• Fluide de stres de randament: Aceste fluide necesită o solicitare minimă (stresul de curgere) pentru a iniția curgerea. Pasta de dinți și suspensiile de ciment sunt exemple de fluide cu stres de curgere.

Fluide dependente de timp

Vâscozitatea acestor fluide se modifică atât cu viteza de forfecare, cât și cu durata aplicării forfecării.

• Fluide tixotrope:
  Fluidele tixotrope prezintă o scădere a vâscozității în timp atunci când sunt supuse la forfecare constantă. Multe geluri și suspensii prezintă un comportament tixotrop.
• Fluide reopectice: Fluidele reopectice experimentează o creștere a vâscozității în timp sub forfecare constantă. Acest comportament este mai puțin frecvent, dar poate fi observat la unii lubrifianți.

Fluide vâscoelastice

Fluidele vâscoelastice prezintă atât proprietăți vâscoase, cât și elastice. Ele prezintă o recuperare parțială elastică la eliminarea stresului.

Soluțiile polimerice și unele fluide biologice, cum ar fi lichidul sinovial, prezintă un comportament vâscoelastic.

Exemple de fluide non-newtoniene

• Fluide biologice: Sângele este un exemplu excelent de fluid non-newtonian în corpul uman. Vâscozitatea sa scade odată cu creșterea ratei de forfecare, facilitând fluxul prin vasele de sânge.
• Polimeri și soluții polimerice: Multe soluții de polimeri prezintă un comportament non-newtonian. Structurile lor moleculare complexe duc la viscozități dependente de forfecare.
• Suspensii: Suspensiile de particule prezintă adesea caracteristici non-newtoniene. Interacțiunea dintre particule și mediul de suspendare are ca rezultat comportamente complexe de curgere.
• Produse alimentare: Diverse produse alimentare, cum ar fi maioneza, iaurtul și mierea, prezintă proprietăți non-newtoniene.
• Fluide industriale: Noroiurile de foraj, lubrifianții și vopselele sunt exemple de fluide non-newtoniene utilizate pe scară largă în aplicații industriale.

Diferențele cheie între fluidele newtoniene și non-newtoniene

Răspunsul vâscozității la stresul aplicat

Fluidele newtoniene mențin vâscozitatea constantă indiferent de solicitarea aplicată. Fluidele non-newtoniene prezintă vâscozitate variabilă în funcție de viteza de forfecare.

Comportamentul și modelele fluxului

Fluidele newtoniene demonstrează o relație liniară între efortul de forfecare și viteza de forfecare. Fluidele non-newtoniene prezintă un comportament neliniar.

Unele fluide non-newtoniene prezintă proprietăți de subțiere prin forfecare sau de îngroșare prin forfecare. Acest lucru afectează caracteristicile lor de curgere în diferite condiții.

Provocări în manipularea fluidelor non-newtoniene

Prelucrarea fluidelor non-newtoniene necesită echipamente și tehnici specializate. Vâscozitatea lor variabilă complică predicțiile debitului și eficiența pompei.

Fundamentele mecanicii fluidelor

Tensiunea de forfecare

Tensiunea de forfecare este o forță aplicată paralel cu suprafața unui material. În mecanica fluidelor, apare atunci când straturile adiacente de fluid se mișcă cu viteze diferite. Acest lucru creează un efect asemănător frecării între straturi.

Mărimea efortului de forfecare depinde de proprietățile fluidului și de gradientul de viteză. Joacă un rol crucial în determinarea comportamentului fluidului, în special în fluidele newtoniene non-###.

Rata de forfecare

Rata de forfecare măsoară cât de repede se deplasează straturile adiacente de fluid unul pe lângă celălalt. Reprezintă viteza de schimbare a vitezei perpendiculară pe direcția de forfecare.

În debitul conductei, viteza de forfecare variază pe diametrul conductei. Este cel mai înalt lângă pereții țevii și cel mai jos în centru. Această variație afectează caracteristicile curgerii fluidului.

Viscozitate

Vâscozitatea cuantifică rezistența fluidului la curgere. Descrie frecarea internă a unui fluid în mișcare. Fluidele cu vâscozitate mai mare, cum ar fi mierea, curg mai lent decât fluidele cu vâscozitate mai mică, cum ar fi apa.

Vâscozitatea poate fi clasificată ca dinamică sau cinematică. Vâscozitatea dinamică leagă forța de forfecare cu viteza de forfecare. Vâscozitatea cinematică este raportul dintre vâscozitatea dinamică și densitatea fluidului.

În concluzie

Fluidele newtoniene și non-newtoniene diferă în comportamentul lor în condiții de stres. Înțelegerea acestor proprietăți este crucială în diverse industrii și viața de zi cu zi.

Explorați mai departe pentru a descoperi cum aceste fluide afectează mediul înconjurător. Împărtășiți-vă cunoștințele noi cu alții pentru a stârni curiozitatea despre dinamica fluidelor.