Tiết lộ về chất lỏng phi Newton: Hướng dẫn toàn diện

Bạn có thể đã nghe nói về các chất lỏng dường như thách thức các định luật vật lý – chất lỏng đột nhiên đông đặc khi bị va chạm hoặc dạng gel chảy tự do cho đến khi bị lắc. Những chất lạ này, được gọi là chất lỏng phi Newton, có hành vi khá khác so với các chất lỏng quen thuộc mà chúng ta gặp hàng ngày. Khi các nhà khoa học và kỹ sư khám phá thêm về những vật liệu kỳ lạ này, các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực từ hàng không vũ trụ đến y học tiếp tục mở rộng.

Trong hướng dẫn toàn diện này, chúng ta sẽ đi sâu vào các nguyên tắc cơ bản của cơ học chất lưu phi Newton. Chúng ta sẽ khám phá điều gì khiến chúng khác biệt với chất lưu thông thường, các loại hành vi phi Newton khác nhau và các ví dụ hàng ngày mà bạn có thể nhận ra.

Chất lỏng phi Newton là gì

Chất lỏng phi Newton là một loại chất lỏng có hành vi độc đáo so với các chất lỏng tương ứng theo Newton. Không giống như chất lỏng Newton, có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt, chất lỏng phi Newton lệch khỏi tính tuyến tính này. Điều này có nghĩa là độ nhớt hoặc khả năng chống chảy của chúng thay đổi tùy thuộc vào ứng suất tác dụng hoặc thời gian ứng suất.

Thuật ngữ “phi Newton” bao gồm một loạt các hành vi của chất lỏng không tuân theo định luật độ nhớt của Newton. Định luật này nêu rằng ứng suất cắt (τ) tỷ lệ thuận với tốc độ cắt (γ), với hằng số tỷ lệ là độ nhớt (μ). Về mặt toán học, mối quan hệ này được thể hiện như sau:

τ = μγ

Tuy nhiên, chất lỏng phi Newton không tuân theo mối quan hệ tuyến tính đơn giản này. Độ nhớt của chúng có thể tăng (cắt dày) hoặc giảm (cắt mỏng) khi tốc độ cắt tăng, hoặc chúng có thể biểu hiện hành vi phụ thuộc vào thời gian, chẳng hạn như tính thixotropy hoặc tính rheopexy.

Chất lỏng phi Newton hoạt động như thế nào

Hành vi độc đáo của chất lỏng phi Newton phát sinh từ cấu trúc vi mô phức tạp của chúng. Những chất lỏng này thường chứa các hạt lơ lửng, các phân tử chuỗi dài hoặc các polyme rối tương tác với nhau và với chất lỏng xung quanh theo những cách phức tạp.

Khi một chất lỏng phi Newton chịu ứng suất cắt, cấu trúc vi mô sẽ trải qua những thay đổi ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng. Ví dụ:

• Trong chất lỏng có độ đặc cắt, các hạt hoặc phân tử có thể tạo thành các cụm hoặc chuỗi tạm thời cản trở dòng chảy, làm tăng độ nhớt.
• Trong chất lỏng loãng do lực cắt, ứng suất tác dụng có thể khiến các phân tử sắp xếp thẳng hàng hoặc tách rời, làm giảm độ nhớt.
• Chất lỏng phụ thuộc thời gian có thể biểu hiện sự phân hủy (thixotropy) hoặc tích tụ (rheopexy) về cấu trúc vi mô theo thời gian, dẫn đến những thay đổi về độ nhớt.

Hành vi cụ thể của chất lỏng phi Newton phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước, hình dạng và nồng độ của các hạt lơ lửng, cũng như sự tương tác giữa chúng và chất lỏng xung quanh.

Chất lỏng Newton so với chất lỏng phi Newton

Các loại hành vi phi Newton

Chất lỏng phi Newton có thể được phân loại thành hai loại dựa trên phản ứng của chúng với ứng suất tác dụng: chất lỏng phụ thuộc vào ứng suất và chất lỏng phụ thuộc vào thời gian.

Chất lỏng phụ thuộc vào ứng suất

Chất lỏng phụ thuộc ứng suất thể hiện sự thay đổi độ nhớt theo hàm của ứng suất cắt được áp dụng. Có hai loại chính của chất lỏng phi Newton phụ thuộc ứng suất:

• Chất lỏng làm đặc cắt (giãn nở): Các chất lỏng này có độ nhớt tăng lên khi tốc độ cắt tăng. Một ví dụ điển hình là hỗn hợp bột ngô và nước, thường được gọi là "oobleck". Khi chịu ứng suất đột ngột, chẳng hạn như khuấy hoặc va chạm, chất lỏng trở nên chống chảy tốt hơn, gần như trông giống chất rắn. Hành vi này được cho là do sự hình thành các cụm hạt tạm thời cản trở dòng chảy.
• Chất lỏng làm loãng cắt (giả dẻo): Ngược lại với chất lỏng làm đặc cắt, chất lỏng làm loãng cắt biểu hiện độ nhớt giảm khi tốc độ cắt tăng. Nhiều chất thông thường, chẳng hạn như tương cà, sơn và dầu gội, nằm trong loại này. Khi ở trạng thái nghỉ, các chất lỏng này có độ nhớt cao hơn, nhưng khi ứng suất cắt được áp dụng (ví dụ, bóp chai tương cà), độ nhớt giảm, cho phép chất lỏng chảy dễ dàng hơn. Hành vi này thường là do sự sắp xếp hoặc gỡ rối của các phân tử chuỗi dài dưới lực cắt.

Độ nhớt phụ thuộc thời gian

Chất lỏng phi Newton phụ thuộc thời gian thể hiện sự thay đổi độ nhớt theo thời gian khi chịu tốc độ cắt không đổi. Có hai loại chính của hành vi phi Newton phụ thuộc thời gian:

• chất lỏng thixotropic: Chất lỏng thixotropic giảm độ nhớt theo thời gian khi chịu tốc độ cắt không đổi. Hành vi này có thể đảo ngược, nghĩa là chất lỏng sẽ lấy lại độ nhớt ban đầu sau khi ứng suất cắt được loại bỏ. Một ví dụ phổ biến về chất lỏng thixotropic là sữa chua. Khi khuấy, sữa chua trở nên ít nhớt hơn và chảy dễ hơn, nhưng nó sẽ dần lấy lại độ đặc khi không bị xáo trộn. Thixotropy thường được cho là do sự phá vỡ các tương tác vi cấu trúc dưới tác động cắt.
• chất lỏng lưu biến: Chất lỏng Rheopectic, còn được gọi là chất lỏng chống lưu biến, thể hiện hành vi ngược lại với chất lỏng lưu biến. Các chất lỏng này có độ nhớt tăng theo thời gian khi chịu tốc độ cắt không đổi. Hành vi Rheopectic ít phổ biến hơn lưu biến và thường được quan sát thấy trong một số loại gel và hỗn dịch. Một ví dụ về chất lỏng Rheopectic là hỗn dịch thạch cao trong nước. Khi bị cắt, các hạt thạch cao tạo thành các mạng lưới liên kết với nhau, làm tăng độ nhớt của hỗn dịch.

Ví dụ hàng ngày về chất lỏng phi Newton

Chất lỏng phi Newton phổ biến hơn trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta so với những gì người ta nghĩ. Sau đây là một số ví dụ hàng ngày:

1. Sốt cà chua: Tương cà là chất lỏng làm loãng theo phương pháp cắt. Khi bạn gõ vào đáy chai tương cà, bạn đang tạo ra ứng suất cắt đột ngột, khiến tương cà loãng ra và chảy ra khỏi chai dễ dàng hơn.
2. Kem đánh răng:Kem đánh răng là một ví dụ khác về chất lỏng pha loãng. Nó đặc và nhớt khi bóp ra khỏi ống, nhưng loãng và dễ lan ra khi chải lên răng.
3. Máu: Máu là một chất lỏng phức tạp phi Newton có đặc tính làm loãng theo lực cắt. Tính chất này cho phép máu chảy hiệu quả qua các mao mạch hẹp của cơ thể.
4. Sơn: Nhiều loại sơn là chất lỏng pha loãng. Chúng đặc khi được quét bằng cọ hoặc rulo nhưng loãng ra và trải đều khi quét trên bề mặt.
5. Cát lún: Cát lún là chất lỏng đặc lại do cắt. Khi bị khuấy, các hạt cát sẽ dính chặt vào nhau, làm tăng độ nhớt và khiến chúng khó thoát ra.
6. Hỗn hợp bột bắp và nước: Thường được gọi là "oobleck", hỗn hợp này là ví dụ điển hình về chất lỏng làm đặc do cắt. Nó hoạt động giống như chất lỏng khi khuấy chậm nhưng đông lại khi chịu tác động đột ngột.
7. Đồ chơi Silly Putty: Silly Putty là vật liệu nhớt đàn hồi thể hiện cả tính chất lỏng và rắn. Nó có thể chảy chậm dưới trọng lượng của chính nó nhưng sẽ nảy như một chất rắn khi bị rơi.
8. Mayonnaise: Mayonnaise là chất lỏng làm loãng khi cắt cũng thể hiện tính chất thixotropic. Nó đặc và nhớt khi ở trạng thái nghỉ nhưng loãng ra và lan rộng dễ dàng khi khuấy hoặc cắt.