Nenewtonská tekutina - Non-Newtonian fluid

Část série na
Mechanika kontinua
Mechanika tekutin
Kapaliny
Kapaliny
Plyny
Plazma

A nenewtonská tekutina je tekutina to nenasleduje Newtonův zákon viskozity, tj. konstantní viskozita nezávislá na stresu. V nenewtonovských kapalinách se viskozita může změnit, když je pod tlakem, a to buď na kapalnější nebo pevnější. Kečup například se při otřesu stane runnier a je tedy nenewtonskou tekutinou. Mnoho sůl roztoky a roztavené polymery jsou nenewtonské tekutiny, stejně jako mnoho běžně používaných látek, jako jsou pudink,[1] Miláček,[1] zubní pasta, škrob pozastavení, kukuřičný škrob, malovat, krev, roztaveno máslo, a šampon.

Nejčastěji je viskozita (postupná deformace smykovým nebo tahovým napětím) nenewtonských tekutin závisí na smyková rychlost nebo historie smykové rychlosti. Některé nenewtonovské tekutiny s viskozitou nezávislou na smyku však stále vykazují normální rozdíly napětí nebo jiné nenewtonovské chování. V newtonovské tekutině je vztah mezi smykové napětí a smyková rychlost je lineární, prochází skrz původ, přičemž konstanta proporcionality je koeficientem viskozity. V nenewtonovské tekutině je vztah mezi smykovým napětím a smykovou rychlostí odlišný. Tekutina může dokonce vykazovat časově závislá viskozita. Proto nelze definovat konstantní koeficient viskozity.

I když se koncept viskozity běžně používá v mechanika tekutin k charakterizaci smykových vlastností kapaliny může být neadekvátní popis nenewtonských kapalin. Nejlépe je studovat prostřednictvím několika dalších reologické vlastnosti, které se vztahují stres a rychlost deformace tenzory za mnoha různých podmínek proudění - například oscilační smykový nebo prodlužovací tok - které se měří pomocí různých zařízení nebo reometry. Vlastnosti jsou lépe studovány pomocí tenzor -hodnota konstitutivní rovnice, které jsou běžné v oblasti mechanika kontinua.

Druhy nenewtonského chování

souhrn

Klasifikace tekutin se smykovým napětím jako funkce smykové rychlosti.
Porovnání nenewtonských, newtonovských a viskoelastických vlastností
ViskoelastickýKelvinův materiál, Materiál Maxwell„Paralelní“ lineární kombinace elastických a viskózních efektů[2]Nějaký maziva, šlehačka, Hloupý tmel
Viskozita závislá na časeRheopectyZdánlivá viskozita se zvyšuje s trváním stresuSynoviální tekutina, inkoust do tiskárny, sádra vložit
TixotropníZdánlivá viskozita klesá s dobou trvání stresu[2]Jogurt, burákové máslo, xanthanová guma vodné roztoky oxid železa gely, želatina gely, pektin gely, hydrogenovaný ricinový olej, někteří jíly (počítaje v to bentonit, a montmorillonit ), saze zavěšení v roztavené gumě pneumatiky, některé vrtné kaly, mnoho barvy, mnoho floc pozastavení, mnoho koloidní pozastavení
Nenewtonská viskozitaShear zahušťování (dilatant)Zdánlivá viskozita se zvyšuje se zvýšeným namáháním[3]Pozastavení kukuřičný škrob ve vodě (oobleck)
Řezání smyku (pseudoplastický)Zdánlivá viskozita klesá se zvýšeným namáháním[4][5]Lak na nehty, šlehačka, kečup, melasa sirupy, papírovina ve vodě, latexová barva, led, krev, někteří silikonové oleje, někteří silikonové povlaky, písek ve vodě
Zobecněné newtonovské tekutinyViskozita je konstantní.
Napětí závisí na normálních a smykových deformacích a také na tlaku, který na něj působí		Krevní plazma, pudink, voda

Tekutina na zahušťování smyku

Viskozita a kapalina na zahušťování smyku nebo dilatant tekutina se zdá, že se zvyšuje, když se zvyšuje smyková rychlost. Kukuřičný škrob suspendován ve vodě ("oobleck", viz níže ) je běžným příkladem: při pomalém míchání vypadá mléčně, při intenzivním míchání působí jako velmi viskózní kapalina.

Smyková ředicí kapalina

Barva je nenewtonská tekutina. Rovný povrch pokrytý bílou barvou je orientován svisle (před pořízením byl rovný povrch vodorovný, položený na stůl). Tekutina začíná kapat po povrchu, ale kvůli své nenewtonské povaze je vystavena stresu v důsledku gravitační zrychlení. Proto místo klouzání po povrchu vytváří velmi velký a velmi hustý pokles s omezeným odkapáváním.

Známý příklad opaku, a kapalina na ředění střihu nebo pseudoplastická tekutina je zeď malovat: Barva by měla snadno stékat z kartáče, když je nanášena na povrch, ale nesmí nadměrně kapat. Všimněte si, že vše tixotropní tekutiny jsou extrémně smykové ředění, ale jsou významně časově závislé, zatímco koloidní "smykové ředění" kapaliny reagují okamžitě na změny ve smykové rychlosti. Aby se zabránilo nejasnostem, druhá klasifikace se jasněji nazývá pseudoplastická.

Dalším příkladem smykové ředicí tekutiny je krev. Tato aplikace je v těle velmi oblíbená, protože umožňuje snížení viskozity krve se zvýšenou rychlostí střihu.

Binghamský plast

Kapaliny, které mají vztah lineárního smykového napětí / smykové deformace, ale vyžadují konečné mezní mez kluzu, než začnou proudit (graf smykového napětí proti smykovému napětí neprochází počátkem), se nazývají Binghamské plasty. Několik příkladů je hliněné suspenze, vrtné bahno, zubní pasta, majonéza, čokoláda a hořčice. Povrch binghamského plastu může udržovat vrcholy, když je nehybný. Naproti tomu newtonovské tekutiny mají v klidu ploché bezvýrazné povrchy.

Reopektické nebo antitixotropní

Existují také tekutiny, jejichž rychlost deformace je funkcí času. Kapaliny, které k udržení konstantní rychlosti deformace vyžadují postupně se zvyšující smykové napětí, se označují jako reopektický. Opačným případem je tekutina, která se časem ztenčuje a vyžaduje udržení konstantní rychlosti deformace na klesajícím napětí (tixotropní ).

Příklady

Mnoho běžných látek vykazuje nenewtonské toky. Tyto zahrnují:[6]

Ooblecku

Demonstrace nenewtonovské tekutiny při Universum v Mexico City
Oobleck na subwooferu. Působením síly na ooblecka, v tomto případě zvukovými vlnami, dojde k zahuštění nenewtonovské tekutiny.[7]

Levná, netoxický příkladem nenewtonské tekutiny je suspenze škrob (např. kukuřičný škrob) ve vodě, někdy nazývaný „oobleck“, „bláto“ nebo „magické bahno“ (1 díl vody na 1,5–2 části kukuřičného škrobu).[8][9][10] Název "oobleck" je odvozen od Dr. Seuss rezervovat Bartoloměj a Oobleck.[8]

Díky svým vlastnostem se oobleck často používá při demonstracích, které vykazují neobvyklé chování. Osoba může chodit na velké vaně oobleck bez potopení kvůli jeho vlastnostem zahušťování střihem, pokud se jedinec pohybuje dostatečně rychle, aby poskytl dostatečnou sílu při každém kroku, aby způsobil zahuštění. Pokud je oobleck umístěn na velkém subwooferu poháněném při dostatečně vysoké hlasitosti, zesílí a vytvoří stojaté vlny v reakci na zvukové vlny nízkých frekvencí z reproduktoru. Pokud by někdo udeřil nebo zasáhl ooblecka, zesílilo by to a působilo by to jako pevná látka. Po úderu se oobleck vrátí zpět do svého tenkého stavu podobného tekutině.

Flubber (sliz)

Hlavní článek: Flubber (materiál)

Flubber, také běžně známý jako sliz, je nenewtonská tekutina, která se snadno vyrábí polyvinylalkohol -na základě lepidla (například bílé "školní" lepidlo) a borax. Protéká pod nízkým tlakem, ale láme se pod vyšším tlakem a tlaky. Tato kombinace vlastností podobných tekutinám a pevným látkám z něj činí Maxwellova tekutina. Jeho chování lze také popsat jako bytí viskoplastický nebo želatinový.[11]

Chlazená karamelová poleva

Dalším příkladem je chlazený karamel zmrzlina zálivka (pokud obsahuje hydrokoloidy jako např karagenan a gellanová guma). Náhlá aplikace platnost —Píchnutím povrchu například prstem nebo rychlým obrácením nádoby, která ji drží - způsobí, že se tekutina bude chovat jako pevný spíše než kapalina. Toto je vlastnost „smykového zesílení“ této nenewtonovské tekutiny. Šetrnější zacházení, jako je pomalé vkládání lžíce, ji ponechá v tekutém stavu. Pokus o opětovné vytrhnutí lžíce zpět však vyvolá návrat dočasného pevného stavu.[12]

Hloupý tmel

Hlavní článek: Hloupý tmel

Silly Putty je silikonový polymer suspenze který bude proudit, odskakovat nebo se zlomit v závislosti na rychlosti deformace.

Rostlinná pryskyřice

Hlavní článek: Smola (pryskyřice)

Rostlinná pryskyřice je a viskoelastický pevný polymer. Když zůstane v nádobě, bude pomalu proudit jako kapalina, aby se přizpůsobila obrysům nádoby. Pokud však bude zasažen větší silou, rozbije se jako pevná látka.

Kečup

Kečup je smykové ředění tekutina.[3][13] Ředění ve smyku znamená, že viskozita kapaliny klesá s rostoucím smykové napětí. Jinými slovy, pohyb tekutiny je zpočátku obtížný při pomalých rychlostech deformace, ale při vyšších rychlostech bude proudit volněji. Třepání obrácené láhve kečupu může způsobit jeho přechod na nižší viskozitu, což má za následek náhlý proud střihu zředěného koření.

Suché granulované toky

Za určitých okolností toky zrnité materiály lze modelovat jako kontinuum, například pomocí μ(Já) reologie. Takové modely kontinua bývají nenewtonské, protože zdánlivá viskozita granulárních toků se zvyšuje s tlakem a klesá se smykovou rychlostí.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Ouellette, Jennifer (2013). „An-Ti-Ci-Pa-Tion: Fyzika kapajícího medu“. Scientific American.
  2. ^ A b Tropea, Cameron; Yarin, Alexander L .; Foss, John F. (2007). Springerova příručka experimentální mechaniky tekutin. Springer. 661, 676. ISBN  978-3-540-25141-5.
  3. ^ A b Garay, Paul N. (1996). Kniha aplikace Pump Pump (3. vyd.). Prentice Hall. str. 358. ISBN  978-0-88173-231-3.
  4. ^ Rao, M. A. (2007). Reologie tekutých a polotuhých potravin: zásady a aplikace (2. vyd.). Springer. str. 8. ISBN  978-0-387-70929-1.
  5. ^ Schramm, Laurier L. (2005). Emulze, pěny a suspenze: základy a aplikace. Wiley VCH. str. 173. ISBN  978-3-527-30743-2.
  6. ^ Chhabra, R.P. (2006). Bubliny, kapky a částice v nenewtonských tekutinách (2. vyd.). Hoboken: Taylor & Francis Ltd. str. 9–10. ISBN  978-1420015386.
  7. ^ Tato ukázka ooblecku je oblíbeným tématem videí YouTube.
  8. ^ A b Oobleck: Vědecký experiment Dr. Seussa
  9. ^ „Outrageous Ooze“. Exploratorium.
  10. ^ Rupp, Rebecca (1998). „Magické bahno a další skvělé experimenty“. The Complete Home Learning Source Book. 235–236. ISBN  9780609801093.
  11. ^ Glurch se setká s Oobleckem Archivováno 6. července 2010 v Wayback Machine. Iowská státní univerzita Rozšíření.
  12. ^ Barra, Giuseppina (2004). Reologie karamelu (PhD). University of Nottingham.
  13. ^ Cartwright, Jon (2. září 2011). „Mikroskopie odhaluje, proč kečup stříká“. Chemický svět. Royal Society of Chemistry.

externí odkazy