Что такое ньютоновские и неньютоновские жидкости?

Вы когда-нибудь задумывались о различных типах жидкостей?

Жидкости – это вещества, которые могут течь и деформироваться под давлением. Они делятся на две основные категории: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, а неньютоновские жидкости меняют вязкость под действием напряжения.

Что такое Ньютоновская жидкость

Ньютоновская жидкость — это тип жидкости, которая демонстрирует линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Это соотношение остается постоянным независимо от приложенной силы.

Ньютоновские жидкости подчиняются закону вязкости Ньютона, который гласит, что напряжение сдвига прямо пропорционально скорости деформации сдвига. Такое поведение характеризуется постоянным коэффициентом вязкости.

Ключевые характеристики ньютоновской жидкости

Постоянная вязкость

Вязкость ньютоновской жидкости остается постоянной при различных скоростях сдвига. Это свойство отличает ньютоновские жидкости от их неньютоновских аналогов.

Независимо от приложенной силы сопротивление жидкости потоку остается неизменным. Эта характеристика делает ньютоновские жидкости предсказуемыми и их легче моделировать математически.

Линейная связь

Ньютоновские жидкости демонстрируют линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Эта зависимость представлена прямой линией на графике зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига.

Наклон этой линии представляет вязкость жидкости. Для ньютоновских жидкостей этот наклон остается постоянным в широком диапазоне скоростей сдвига.

Примеры ньютоновской жидкости

• Вода: Вода является наиболее распространенным примером ньютоновской жидкости. Его вязкость остается постоянной при нормальных условиях, что делает его идеальным для различных применений в механике жидкостей.
• Воздух: Воздух, как и большинство газов, при нормальных условиях ведет себя как ньютоновская жидкость. Его вязкость не зависит от скорости сдвига, что обеспечивает постоянство характеристик потока в атмосферных процессах и аэродинамических применениях.
• Мед: Несмотря на свою высокую вязкость, мед демонстрирует ньютоновское поведение. Его свойства текучести остаются неизменными независимо от приложенной силы, что делает его уникальным примером вязкой ньютоновской жидкости.

Что такое неньютоновские жидкости

Неньютоновские жидкости — это сложные жидкости, которые не подчиняются закону вязкости Ньютона. Их вязкость меняется в зависимости от приложенной скорости сдвига или напряжения.

В отличие от ньютоновских жидкостей, которые поддерживают постоянную вязкость, неньютоновские жидкости обладают переменной вязкостью при различных условиях течения. Такое поведение является результатом их сложной молекулярной структуры или взвешенных частиц.

Типы неньютоновских жидкостей

Независимые от времени жидкости

Эти жидкости демонстрируют немедленные изменения вязкости в зависимости от скорости сдвига, независимо от продолжительности приложения сдвига.

• Разжижающие сдвиг (псевдопластичные) жидкости: Вязкость жидкостей, разжижающих сдвиг, снижается по мере увеличения скорости сдвига. Общие примеры включают кетчуп, краску и кровь.
• Жидкости, загущающие сдвиг (дилатанты): Жидкости, загущающие сдвиг, демонстрируют увеличение вязкости с увеличением скорости сдвига. Такое поведение демонстрируют смеси кукурузного крахмала и воды и некоторые растворы полимеров.
• Жидкости для снятия стресса: Эти жидкости требуют минимального напряжения (предела текучести), чтобы начать течение. Зубная паста и цементные растворы являются примерами жидкостей с пределом текучести.

Зависящие от времени жидкости

Вязкость этих жидкостей меняется как в зависимости от скорости сдвига, так и от продолжительности приложения сдвига.

• Тиксотропные жидкости:
  Тиксотропные жидкости демонстрируют снижение вязкости с течением времени при воздействии постоянного сдвига. Многие гели и суспензии проявляют тиксотропное поведение.
• Реопектические жидкости: Реопектические жидкости со временем увеличивают вязкость при постоянном сдвиге. Такое поведение встречается реже, но его можно наблюдать в некоторых смазочных материалах.

Вязкоупругие жидкости

Вязкоупругие жидкости обладают как вязкими, так и упругими свойствами. Они демонстрируют частичное упругое восстановление после снятия напряжения.

Растворы полимеров и некоторые биологические жидкости, такие как синовиальная жидкость, обладают вязкоупругими свойствами.

Примеры неньютоновских жидкостей

• Биологические жидкости: Кровь является ярким примером неньютоновской жидкости в организме человека. Его вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига, облегчая поток через кровеносные сосуды.
• Полимеры и полимерные растворы: Многие растворы полимеров демонстрируют неньютоновское поведение. Их сложные молекулярные структуры приводят к зависимости вязкости от сдвига.
• Подвески: Суспензии частиц часто обладают неньютоновскими характеристиками. Взаимодействие между частицами и суспендирующей средой приводит к сложному поведению потока.
• Продукты питания: Различные продукты питания, такие как майонез, йогурт и мед, обладают неньютоновскими свойствами.
• Промышленные жидкости: Буровые растворы, смазочные материалы и краски являются примерами неньютоновских жидкостей, широко используемых в промышленности.

Ключевые различия между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями

Реакция вязкости на приложенное напряжение

Ньютоновские жидкости сохраняют постоянную вязкость независимо от приложенного напряжения. Неньютоновские жидкости обладают переменной вязкостью в зависимости от скорости сдвига.

Поведение и закономерности потока

Ньютоновские жидкости демонстрируют линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига. Неньютоновские жидкости демонстрируют нелинейное поведение.

Некоторые неньютоновские жидкости обладают свойствами разжижения или загущения при сдвиге. Это влияет на их текучесть в различных условиях.

Проблемы при работе с неньютоновскими жидкостями

Обработка неньютоновских жидкостей требует специального оборудования и технологий. Их переменная вязкость усложняет прогнозирование расхода и эффективность насоса.

Основы механики жидкости

Напряжение сдвига

Напряжение сдвига — это сила, приложенная параллельно поверхности материала. В механике жидкости это происходит, когда соседние слои жидкости движутся с разными скоростями. Это создает эффект трения между слоями.

Величина напряжения сдвига зависит от свойств жидкости и градиента скорости. Он играет решающую роль в определении поведения жидкости, особенно в ньютоновских жидкостях, отличных от ###.

Скорость сдвига

Скорость сдвига измеряет, насколько быстро соседние слои жидкости движутся друг мимо друга. Он представляет собой скорость изменения скорости, перпендикулярной направлению сдвига.

В потоке труб скорость сдвига варьируется в зависимости от диаметра трубы. Он самый высокий у стенок трубы и самый низкий в центре. Это изменение влияет на характеристики потока жидкости.

Вязкость

Вязкость количественно определяет сопротивление жидкости течению. Он описывает внутреннее трение движущейся жидкости. Жидкости с более высокой вязкостью, такие как мед, текут медленнее, чем жидкости с более низкой вязкостью, такие как вода.

Вязкость можно разделить на динамическую и кинематическую. Динамическая вязкость связывает напряжение сдвига со скоростью сдвига. Кинематическая вязкость — это отношение динамической вязкости к плотности жидкости.

В заключение

Ньютоновские и неньютоновские жидкости различаются по своему поведению под напряжением. Понимание этих свойств имеет решающее значение в различных отраслях промышленности и повседневной жизни.

Исследуйте дальше, чтобы узнать, как эти жидкости влияют на ваше окружение. Поделитесь своими новыми знаниями с другими, чтобы пробудить интерес к гидродинамике.