Раскрытие неньютоновских жидкостей: полное руководство

Вы, вероятно, слышали о жидкостях, которые, кажется, бросают вызов законам физики — жидкости, которые внезапно затвердевают при ударе, или гели, которые свободно текут, пока их не встряхнут. Эти странные вещества, известные как неньютоновские жидкости, ведут себя совсем не так, как привычные жидкости, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. По мере того, как ученые и инженеры узнают больше об этих необычных материалах, их применение в областях от аэрокосмической промышленности до медицины продолжает расширяться.

В этом всеобъемлющем руководстве мы погрузимся в основы механики неньютоновских жидкостей. Мы рассмотрим, что отличает их от обычных жидкостей, различные типы неньютоновского поведения и повседневные примеры, которые вы можете узнать.

Что такое неньютоновские жидкости

Неньютоновские жидкости — это класс жидкостей, которые демонстрируют уникальное поведение по сравнению со своими ньютоновскими аналогами.. В отличие от ньютоновских жидкостей, у которых есть линейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, неньютоновские жидкости отклоняются от этой линейности. Это означает, что их вязкость, или сопротивление потоку, изменяется в зависимости от приложенного напряжения или продолжительности напряжения.

Термин «неньютоновский» охватывает широкий спектр поведения жидкостей, которые не подчиняются закону вязкости Ньютона. Этот закон гласит, что напряжение сдвига (τ) прямо пропорционально скорости сдвига (γ), причем константа пропорциональности — это вязкость (μ). Математически эта связь выражается как:

τ = μγ

Однако неньютоновские жидкости не подчиняются этой простой линейной зависимости. Их вязкость может увеличиваться (загустевание при сдвиге) или уменьшаться (разжижение при сдвиге) с увеличением скорости сдвига, или они могут демонстрировать зависящее от времени поведение, такое как тиксотропия или реопексия.

Как работают неньютоновские жидкости

Уникальное поведение неньютоновских жидкостей возникает из-за их сложной микроструктуры. Эти жидкости часто содержат взвешенные частицы, длинноцепочечные молекулы или запутанные полимеры, которые взаимодействуют друг с другом и окружающей жидкостью сложным образом.

Когда неньютоновская жидкость подвергается сдвиговому напряжению, микроструктура претерпевает изменения, которые влияют на вязкость жидкости. Например:

• В жидкостях, загустевающих при сдвиге, частицы или молекулы могут образовывать временные скопления или цепи, которые сопротивляются течению, увеличивая вязкость.
• В жидкостях, разжижающихся при сдвиге, приложенное напряжение может привести к выравниванию или распутыванию молекул, что снижает вязкость.
• Жидкости, изменяющиеся со временем, могут демонстрировать разрушение (тиксотропия) или нарастание (реопексия) своей микроструктуры с течением времени, что приводит к изменению вязкости.

Конкретное поведение неньютоновской жидкости зависит от таких факторов, как размер, форма и концентрация взвешенных частиц, а также от взаимодействия между ними и окружающей жидкостью.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Типы неньютоновского поведения

Неньютоновские жидкости можно условно разделить на две категории в зависимости от их реакции на приложенное напряжение: жидкости, зависящие от напряжения, и жидкости, зависящие от времени.

Стресс-зависимые жидкости

Жидкости, зависящие от напряжения, демонстрируют изменение вязкости в зависимости от приложенного напряжения сдвига. Существует два основных типа неньютоновских жидкостей, зависящих от напряжения:

• Жидкости, загустевающие при сдвиге (дилатирующие): Эти жидкости испытывают увеличение вязкости с увеличением скорости сдвига. Классический пример — смесь кукурузного крахмала и воды, часто называемая «oobleck». При внезапном напряжении, таком как перемешивание или удар, жидкость становится более устойчивой к течению, почти становясь твердой. Такое поведение объясняется образованием временных скоплений частиц, которые препятствуют течению.
• Жидкости, разжижающиеся при сдвиге (псевдопластические): В отличие от загустевающих при сдвиге жидкостей, разжижающие при сдвиге жидкости демонстрируют снижение вязкости с увеличением скорости сдвига. Многие обычные вещества, такие как кетчуп, краска и шампунь, попадают в эту категорию. В состоянии покоя эти жидкости имеют более высокую вязкость, но при приложении напряжения сдвига (например, сдавливании бутылки кетчупа) вязкость уменьшается, что позволяет жидкости течь легче. Такое поведение часто обусловлено выравниванием или распутыванием длинноцепочечных молекул под действием сдвига.

Вязкость, зависящая от времени

Неньютоновские жидкости, зависящие от времени, демонстрируют изменение вязкости с течением времени при воздействии постоянной скорости сдвига. Существует два основных типа неньютоновского поведения, зависящего от времени:

• Тиксотропные жидкости: Тиксотропные жидкости испытывают снижение вязкости с течением времени при воздействии постоянной скорости сдвига. Это поведение обратимо, то есть жидкость восстановит свою первоначальную вязкость после снятия напряжения сдвига. Типичным примером тиксотропной жидкости является йогурт. При перемешивании йогурт становится менее вязким и легче течет, но он постепенно восстанавливает свою густоту, если его не трогать. Тиксотропию часто приписывают разрушению микроструктурных взаимодействий под действием сдвига.
• Реопектические жидкости: Реопектические жидкости, также известные как антитиксотропные жидкости, демонстрируют противоположное поведение тиксотропных жидкостей. Эти жидкости испытывают увеличение вязкости с течением времени при воздействии постоянной скорости сдвига. Реопектическое поведение встречается реже, чем тиксотропия, и часто наблюдается в определенных типах гелей и суспензий. Примером реопектической жидкости является суспензия гипса в воде. При сдвиге частицы гипса образуют взаимосвязанные сети, увеличивая вязкость суспензии.

Повседневные примеры неньютоновских жидкостей

Неньютоновские жидкости встречаются в нашей повседневной жизни чаще, чем можно подумать. Вот несколько повседневных примеров:

1. Кетчуп: Кетчуп — это жидкость, разжижающаяся при сдвиге. Когда вы постукиваете по дну бутылки с кетчупом, вы прикладываете внезапное сдвиговое напряжение, которое заставляет кетчуп разжижаться и легче вытекать из бутылки.
2. Зубная паста: Зубная паста — еще один пример жидкости, разжижающейся при сдвиге. Она густая и вязкая, когда выдавливается из тюбика, но она разжижается и легко распределяется, когда ее чистят по зубам.
3. Кровь: Кровь — сложная неньютоновская жидкость, которая проявляет свойство разжижения при сдвиге. Это свойство позволяет крови эффективно течь через узкие капилляры тела.
4. Краска: Многие краски представляют собой жидкости, разжижающиеся при сдвиге. Они густые при нанесении кистью или валиком, но разжижаются и гладко выравниваются при нанесении на поверхность.
5. Зыбучие пески: Зыбучий песок — это загустевающая при сдвиге жидкость. При перемешивании частицы песка слипаются, увеличивая вязкость и затрудняя выход.
6. Смесь кукурузного крахмала и воды: Часто называемая «oobleck», эта смесь является классическим примером жидкости, загустевающей при сдвиге. Она ведет себя как жидкость при медленном перемешивании, но затвердевает при резком ударе.
7. Глупая замазка: Silly Putty — вязкоупругий материал, который проявляет как жидкие, так и твердые свойства. Он может медленно течь под собственным весом, но будет подпрыгивать, как твердое тело, если его уронить.
8. Майонез: Майонез — это разжижающаяся при сдвиге жидкость, которая также проявляет тиксотропное поведение. Она густая и вязкая в состоянии покоя, но разжижается и легко растекается при перемешивании или сдвиге.