Kaj je ne-newtonska tekočina? Primeri in poskusi. Newtonske in nenewtonske tekočine Zakaj potrebujemo newtonsko tekočino?

Za večino tekočin (voda, organske spojine z nizko molekulsko maso, prave raztopine, staljene kovine in njihove soli) je koeficient viskoznosti odvisen samo od narave tekočine in temperature. Take tekočine imenujemo Newtonov in sile notranjega trenja, ki nastanejo v njih, upoštevajo Newtonov zakon (formula 11).

Za nekatere tekočine, pretežno visokomolekularne (na primer polimerne raztopine) ali disperzijske sisteme (suspenzije in emulzije),  odvisno tudi od režima pretoka - pritisk in gradient hitrosti. Ko se povečajo, se viskoznost tekočine zmanjša zaradi motenj v notranji strukturi toka tekočine. Njihovo viskoznost označuje tako imenovani pogojni koeficient viskoznosti, ki se nanaša na določene pogoje pretoka tekočine (tlak, hitrost). Take tekočine imenujemo strukturno viskozen oz nenewtonsko.

1.4. Tok viskozne tekočine. Poiseuillova formula.

Med proučevanjem krvnega obtoka je francoski zdravnik in fizik Poiseuille prišel do potrebe po kvantitativnem opisu procesov pretakanja viskoznih tekočin na splošno. Vzorci, ki jih je vzpostavil za ta primer, so pomembni za razumevanje bistva hemodinamskih pojavov in njihov kvantitativni opis.

Poiseuille je ugotovil, da lahko viskoznost tekočine določimo iz prostornine tekočine, ki teče skozi kapilarno cev. Ta metoda je uporabna le v primeru laminarnega toka tekočine.

Naj na koncih navpične kapilarne cevke dolžine l in polmer R nastane stalna tlačna razlika. Izberimo stolpec tekočine znotraj kapilare s polmerom r in višina h. Na stransko površino tega stebra deluje sila notranjega trenja:

riž. 6 Shema za izpeljavo Poiseuillove formule.

če r 1 in r 2 – pritisk na zgornje in spodnje odseke, potem bodo sile tlaka na teh odsekih enake:

F 1 = str 1  r 2 in F 2 = str 2  r 2 .

Gravitacijska sila je F vrvica = mgh=  r 2 gl.

Z enakomernim gibanjem tekočine v skladu z drugim Newtonovim zakonom:

F tr + F pritisk + F vrvica =0,

Glede na to (str 1 -r 2 ) = p,dv je enako:

Integrirajmo:

Integracijsko konstanto najdemo iz pogoja, da ko r= R hitrost v=0 (plasti, ki mejijo neposredno na cev, so nepremične):

Hitrost tekočih delcev glede na oddaljenost od osi je enaka:

Prostornina tekočine, ki teče skozi določen odsek cevi v prostoru med cilindričnimi površinami polmerov r in r+ dr v času t, se določi s formulo dV=2  rdrvt ali:

Celotna prostornina tekočine, ki teče skozi presek kapilare v času t:

(19)

V primeru, da zanemarimo gravitacijo tekočine (horizontalna kapilara), izražamo prostornino tekočine, ki teče skozi presek kapilare, s Poiseuillovo formulo:

(20)

Formulo 20 je mogoče transformirati: delite obe strani tega izraza s časom poteka t. Na levi strani dobimo volumetrični pretok tekočine Q (prostornina tekočine, ki teče skozi odsek na časovno enoto). Velikost 8  l/ 8  R 4 označimo z X.. Potem ima formula 20 obliko:

(21)

V tem zapisu je Poiseuillova formula (imenovana tudi Hagen-Poiseuillova enačba) podobna Ohmovemu zakonu za odsek električnega tokokroga.

Med zakoni hidrodinamike in zakoni toka je mogoče potegniti analogijo električni tok prek električnih tokokrogov. Volumetrični pretok tekočine Q je hidrodinamični analog moči električnega toka jaz Hidrodinamični analog potencialne razlike  1 -  2 je razlika v tlaku R 1 - R 2 . Ohmov zakon jaz =( 1 -  2 )/R ima za svojo hidrodinamično analogno formulo 20. Količina X predstavlja hidravlični upor - analog električnega upora R.

Teorija elastičnosti
Napetost · Tenzor · Trdne snovi · Elastičnost · Plastičnost · Hookov zakon · Reologija · Viskoelastičnost

Hidrodinamika
Tekočina · Hidrostatika · Hidrodinamika · Viskoznost · Newtonova tekočina· Nenewtonska tekočina · Površinska napetost

Osnovne enačbe
Enačba kontinuitete · Eulerjeva enačba · Navier-Stokesove enačbe · Enačba vrtinčenja · Enačba difuzije · Hookov zakon

Glej tudi: Portal:Fizika

Newtonova tekočina(poimenovana po Isaacu Newtonu) je viskozna tekočina, ki pri svojem toku upošteva Newtonov zakon viskoznega trenja, kar pomeni, da sta tangencialna napetost in gradient hitrosti v taki tekočini linearno odvisna. Faktor sorazmernosti med temi količinami je znan kot viskoznost.

Opredelitev

Preprosta enačba, ki opisuje viskozne sile v newtonski tekočini, ki v veliki meri določajo njeno obnašanje, temelji na strižnem toku:

$\backslash tau=\backslash mu\backslash frac(\backslash delni\; u)(\backslash delni\; y)$,

• $\backslash tau$- strižna napetost, ki jo povzroča tekočina, Pa;
• $\backslash mu$- koeficient dinamične viskoznosti - koeficient sorazmernosti, Pa s;
• $\backslash frac(\backslash delni\; u)(\backslash delni\; y)$ je odvod hitrosti v smeri, ki je pravokotna na smer striga, s −1.

Ta enačba se običajno uporablja, ko tekočina teče v eno smer, ko lahko vektor hitrosti toka štejemo za sosmernega (vzporednega) v vseh točkah obravnavane prostornine tekočine.

Iz definicije zlasti sledi, da newtonska tekočina še naprej teče tudi, če so zunanje sile zelo majhne, ​​dokler niso striktno enake ničli. Za newtonsko tekočino je viskoznost po definiciji odvisna le od temperature in tlaka (in tudi od kemična sestava, če tekočina ni čista) in ni odvisna od sil, ki delujejo nanjo. Tipična newtonska tekočina je voda.

• $\backslash tau\_(ij)$- strižna napetost na $i$-ta stran fluidnega elementa v $j$-ta smer;
• $u\_i$- hitrost v $i$-ta smer;
• $x\_j$ - $j$-ta smerna koordinata.

Če tekočina ne upošteva teh razmerij (viskoznost se spreminja glede na hitrost pretoka tekočine), se nasprotno imenuje ne-newtonska tekočina: polimerne raztopine, številne trdne suspenzije in večina zelo viskoznih tekočin.

Napišite oceno o članku "Newtonova tekočina"

Opombe

Glej tudi

Odlomek, ki opisuje newtonsko tekočino

Miloradovič je močno obrnil konja in stal nekoliko za vladarjem. Abšeroni, navdušeni nad vladarjevo prisotnostjo, so s pogumnim, hitrim korakom, brcanjem z nogami šli mimo cesarjev in njihovega spremstva.
- Fantje! - je zavpil Miloradovič z glasnim, samozavestnim in veselim glasom, očitno tako navdušen nad zvoki streljanja, pričakovanjem bitke in pogledom na pogumne Abšeronce, celo svoje suvorovske tovariše, ki so hitro šli mimo cesarjev, da je pozabil na prisotnost suverena. - Fantje, to ni vaša prva vas, ki bi jo zavzeli! - je zavpil.
- Z veseljem poskusim! - so kričali vojaki.
Vladarjev konj se je umaknil nepričakovanemu kriku. Ta konj, ki je suverena nosil že na razstavah v Rusiji, je tukaj, na poljanah Austerlitz, nosil svojega jezdeca, prenašal njegove razpršene udarce z levo nogo in našpičil ušesa ob zvokih strelov, tako kot je to storil na Marsovo polje, ne razumeti pomena ne teh slišanih strelov, ne bližine črnega žrebca cesarja Franca, ne vsega, kar je tisti dan rekel, mislil, čutil tisti, ki jo je jezdil.
Cesar se je z nasmehom obrnil k enemu od spremstva in pokazal na prebivalce Abšerona ter mu nekaj rekel.

Kutuzov je v spremstvu svojih adjutantov jezdil v koraku za karabinjerji.
Ko je na repu kolone prevozil pol milje, se je ustavil pri samotni zapuščeni hiši (verjetno nekdanji gostilni) blizu razcepa dveh cest. Obe cesti sta šli navzdol in po obeh so korakale čete.
Megla se je začela razpršiti in nejasno, približno dve milji stran, so bile na nasprotnih hribih že vidne sovražne čete. Levo spodaj je streljanje postalo glasnejše. Kutuzov je prenehal govoriti z avstrijskim generalom. Princ Andrej, ki je stal nekoliko zadaj, se je zazrl vanje in, ker je želel prositi adjutanta za teleskop, se je obrnil k njemu.
»Glej, glej,« je rekel ta adjutant in ni gledal na oddaljeno vojsko, ampak po gori pred seboj. - To so Francozi!
Dva generala in adjutanta sta začela grabiti cev in jo trgala drug drugemu. Vsi obrazi so se nenadoma spremenili in vsi so izražali grozo. Francozi naj bi bili dve milji stran od nas, pa so se nenadoma, nepričakovano pojavili pred nami.
- Je to sovražnik?... Ne!... Ja, poglej, on... verjetno... Kaj je to? – so se zaslišali glasovi.
Princ Andrej je s preprostim očesom spodaj na desni videl gosto kolono Francozov, ki se je dvigala proti Abšeroncem, ne dlje kot petsto korakov od mesta, kjer je stal Kutuzov.
»Evo ga, prišel je odločilni trenutek! Zadeva je prišla do mene,« je pomislil princ Andrej in, udaril konja, odjahal do Kutuzova. "Moramo ustaviti Abšeronce," je zavpil, "Vaša ekscelenca!" Toda v tistem trenutku je bilo vse pokrito z dimom, zaslišalo se je bliskovito streljanje in naivno prestrašen glas dva koraka stran od princa Andreja je zavpil: "No, bratje, sobota je!" In bilo je, kot da bi bil ta glas ukaz. Ob tem glasu je vse steklo.
Mešane, vedno večje množice so bežale nazaj na kraj, kjer so pred petimi minutami šle čete mimo cesarjev. Ne samo, da je bilo težko ustaviti to množico, ampak se je bilo nemogoče ne premakniti nazaj skupaj z množico.

najprej znanstvena dela o značilnostih nenewtonskih tekočin so se pojavile že v 50. letih prejšnjega stoletja in so bile neposredno povezane s hitrim razvojem bionike, biomehanike, biohidrodinamike in živilska industrija. Razširjena uporaba nanoprahov in polimernih dodatkov v široki paleti kompleksne naloge Današnja hidrodinamika je ponovno vzbudila izjemno zanimanje za ne-newtonske tekočine.

Slika 1. Primeri nenewtonske tekočine. Author24 - spletna izmenjava študentskih del

Najbolj znan in pogost primer teh elementov je živi pesek. Živi pesek je izjemno nevaren, saj lahko vase posrka čisto vse, kar pride vanj. Če se postavite na tak pesek, se boste takoj začeli pogrezati vanj, če pa hitro in močno udarite po živem pesku, se bo takoj strdil.

Definicija 1

Lastnosti ne-newtonskih tekočin preučuje znanost o reologiji, katere metode in principi so usmerjeni v preučevanje deformacijskih položajev resničnih teles in odtenkov fluidnosti fizične snovi.

Reologija upošteva tudi mehanske obremenitve, ki delujejo na materialno telo, in deformacije, ki nastanejo kot posledica tega učinka.

Izraz "reologija" je uvedel izjemen ameriški teoretični fizik Eugene Bingham. Uradno ta definicija je bil ustanovljen na 3. simpoziju o plastičnosti v Združenih državah leta 1929, vendar so bili določeni principi reologije uveljavljeni veliko pred tem.

Newtonske in nenewtonske tekočine

Definicija 2

Če je v gibajočih se delcih njihova viskoznost odvisna samo od narave in temperature in ni odvisna od gradienta hitrosti, potem se takšni elementi v fiziki imenujejo Newtonovi.

Realne tekočine so v praksi lahko nenewtonske in newtonske.

V newtonskih snoveh, ko se en tok tekočine premakne relativno glede na drugega, je indikator tangencialne notranje napetosti sorazmeren s strižno hitrostjo.

V relativnem in stabilnem mirovanju so te napetosti vedno nič. Ta vzorec je prvi vzpostavil Newton leta 1686, zato se ti objekti (nafta, voda, bencin, glicerin, kerozin itd.) imenujejo Newtonovi. Za te tekočine ni značilna visoka mobilnost in se od ne-newtonskih tekočin razlikujejo po prisotnosti strižnih napetosti v mirovanju.

Opomba 1

Precej velik del tekočin, s katerimi so znanstveniki navajeni obravnavati, velja za newtonske: vodne raztopine, voda, naftni derivati, aceton itd.

Pri laminarnem nenačrtovanem toku delujejo elementi med dvema ravni vzporednima ploščama konstantna hitrost v pod vplivom sile F, spodnja črta pa ostane nepremična. V bistvu se plasti tekočine gibljejo z različnimi hitrostmi - od največje na najvišji plošči do absolutne ničle na dnu.

Tok Newtonovih tekočin je v celoti podrejen Newton-Petrovi enačbi, to pomeni, da so tangencialna in notranja napetost ter gradient gostote linearno odvisni, parameter sorazmernosti η med temi količinami pa deluje kot povezovalni člen.

Ne-Newtonove tekočine ne upoštevajo načel in zakonov običajnih tekočin. Te snovi spremenijo lastno gostoto in viskoznost pod vplivom fizične sile, ne le mehanskega delovanja, ampak celo nestabilnih zvočnih valov.

Če delujete na ne-newtonsko tekočino samo z mehanskimi silami, lahko dobite popolnoma drugačen učinek:

• predmet, ki ga preučujemo, začne prevzemati lastnosti trdnih snovi in ​​se obnaša kot fizična snov;
• povezava med molekulami tekočine se bo samodejno okrepila z naraščajočo močjo vpliva nanjo;
• Viskoznost nenewtonskih tekočin se poveča, ko se hitrost pretoka same tekočine zmanjša.

Primer 1

na primer vodna raztopinaškrob pri različne situacije obnaša različno glede na zunanje vplive.

Klasifikacija nenewtonskih tekočin

Znane klasifikacije ne-newtonskih tekočin prvotno temeljijo na empiričnih formulah, ki povezujejo hitrost deformacije in viskoznost. Z uporabo teh enačb raziskovalci gradijo krivulje pretoka tekočine.

Po Newton-Petrovih metodah je graf notranje napetosti v odvisnosti od začetnega gradienta hitrosti ravna črta, ki poteka od izhodišča. Naklon te premice je neposredno sorazmeren z gostoto Newtonove tekočine. Nenewtonske ali anomalne so tiste tekočine, katerih tok ne more upoštevati Newtonovega zakona; zanje so vse tangencialne napetosti označene z bolj zapletenimi odvisnostmi kot formule Newton-Petrov.

Opomba 2

Takih tekočin, ki so z vidika sodobne hidravlike nenormalne, je veliko.

Široko se uporabljajo v kemični naftni, rafinerijski in drugih industrijah.

Nenewtonske tekočine so razdeljene v tri glavne skupine:

• ne-newtonske viskoelastične tekočine;
• ne-newtonske nestabilne tekočine;
• ne-newtonske viskozne tekočine.

V prvo skupino znanstveniki uvrščajo samo viskozne (ali stacionarne) tekočine, katerih značilnosti so neodvisne od časa. Glede na videz takih krivulj ločimo naslednje tekočine te podskupine: psevdoplastične, Binghamove in dilatantne.

Druga skupina tekočin običajno vključuje nenewtonske tekoče snovi, katerih lastnosti so odvisne od časa. Te tekočine so v tem trenutku delimo na tiksotropne in reopektične.

Tretja skupina vključuje viskoelastične ali Maxwellove elemente. Navidezna viskoznost teh snovi se zmanjša pod vplivom stresa, po katerem se predmeti delno obnovijo. začetna oblika. Nekatere paste in smole testaste konsistence lahko uvrstimo med te vrste tekočin.

Uporaba ne-newtonskih tekočin

Danes se ne-newtonske tekočine uporabljajo na skoraj vseh področjih človeške dejavnosti.

1. V vojaški obsežni proizvodnji. V ZDA je ministrstvo za obrambo na podlagi tekočih podatkov začelo proizvodnjo univerzalnih neprebojnih jopičev za vojsko. Te naprave so po svojih karakteristikah veliko boljše od klasičnih, saj so manjše in jih je veliko lažje izdelati. Material, iz katerega so narejeni ti jopiči, se imenuje $d3o$. Te surovine so razvrščene kot dilatantne Newtonove tekočine.
2. V avtomobilski industriji. Nenewtonske tekočine se uporabljajo tudi v avtomobilski industriji. Dizelska in sintetična motorna olja na osnovi proučevanih predmetov z nenadnim povečanjem števila vrtljajev motorja postopoma zmanjšajo začetno viskoznost za nekaj desetkrat, hkrati pa omogočajo znatno zmanjšanje trenja v motorju. Uporabljajo se ne-newtonske tekočine najnovejše tehnologije za izvedbo kakovostne amortizacije nekaterih elementov mehanskih strojev. Reološki poskusi omogočajo reševanje kompleksnih hidrodinamičnih problemov.
3. V naftni industriji. Prav tako je praktičnega in posebnega pomena aktivno uporabo specifične reološke metode. Tako majhni polimerni dodatki naftnim derivatom in vodi zagotavljajo tekočino novo reološke lastnosti, zaradi česar se hidravlični upor v hitrem turbulentnem toku takoj zmanjša. Ne-Newtonove tekočine imajo številne edinstvene lastnosti, ki omogočajo hitro in enostavno zmanjšanje trenja.
4. V gasilstvu in navigaciji. V 50. letih prejšnjega stoletja so ameriški reševalci začeli dodajati nove polimerne dodatke tekočini, ki je pritekla iz požarne šobe, in dolžina curka se je povečala za krat in pol. Hitrost ladje je mogoče povečati tudi z vbrizgavanjem majhnih količin Newtonove raztopine blizu premca. Obstaja teorija, da tudi delfini in drugi oceanski prebivalci »uporabljajo« ta učinek za zmanjšanje neželenega hidrodinamičnega upora.
5. V kozmetologiji. Da bi kozmetika dolgo ostala na koži, mora biti viskozna, pa naj bo to sijaj za ustnice ali tekoča podlaga. V množični proizvodnji kozmetike se pogosto uporabljajo posebne snovi, ki se imenujejo modifikatorji končne viskoznosti. V domači kozmetiki se za podobne namene uporabljajo različna olja in voski.

VPRAŠANJE: Kaj je ne-newtonska tekočina? Kako ga narediti doma?
ODGOVOR: Ne-newtonska tekočina imenujemo tekočina, ki spreminja svojo viskoznost glede na gradient hitrosti. Sestavljen je iz velikih molekul, ki tvorijo kompleksne heterogene prostorske strukture. To pomeni, da hitreje udarite ( uporabiti zunanji vpliv) vzdolž površine nenewtonske tekočine, večja postane njena viskoznost.

Če prste počasi potopite v nenewtonsko tekočino, bo ta še vedno tekoča kot navadna voda, ne da bi za vašo roko delala ovire. Če pa poskušate z vso močjo udariti po površini ne-newtonske tekočine, boste najmanj presenečeni, saj se bo njena površina v trenutku spremenila v elastično maso, ki bo preprečila, da bi vaša roka padla vanjo!

Kako narediti doma

Recept je precej preprost in poceni: pojdite v trgovino in kupite običajni škrob, primeren je kateri koli škrob - krompirjev ali koruzni. Nato ga zmešajte z vodo v razmerju 2:1. To je vse, ne-newtonska tekočina je pripravljena! Zdaj lahko izvajate poskuse doma.

Newtonske in nenewtonske tekočine v v zadnjem času vzbuditi aktivno zanimanje ne le med znanstveniki, ampak tudi navadni ljudje. To je posledica dejstva, da je nenewtonsko tekočino enostavno narediti z lastnimi rokami in je primerna za domače poskuse. Najprej ugotovimo, kakšne snovi so to. Newtonska tekočina se pokorava Newtonovemu zakonu viskoznega trenja, zato je dobila tudi ime. Po tem zakonu je tangencialna napetost v ravninah stika med plastmi tekočine neposredno sorazmerna z odvodom hitrosti njenega toka v smeri normale na te ravnine.

Sliši se precej zapleteno, a bralcu bo bolj jasno, če rečemo, da je newtonska tekočina voda, olje in večina tekočih snovi, ki smo jih vajeni v vsakdanji uporabi, torej tistih, ki zadržijo svojo fizično stanje, ne glede na to, kaj počnete z njimi (če seveda ne govorimo o izhlapevanju ali zmrzovanju). Če pa je odvisnost, opisana v zgornji definiciji, obratno sorazmerna, lahko govorimo o ne-newtonski tekočini.

Takšna tekočina je vedno heterogena, vsebuje velike molekule, ki se zbirajo v kristalne mreže, zato je viskoznost neposredno odvisna od pretoka spojine. Višja kot je hitrost, večja je viskoznost. Delno ta vrsta snovi vključuje tiksotropne tekočine, to je tiste, ki sčasoma spreminjajo viskoznost, na primer kit ali čokolado. Tudi nekateri znanstveniki se nagibajo k temu, da je kri snov, ki ne deluje v skladu z Newtonovimi zakoni viskoznega trenja, ker je heterogena tekočina, je suspenzija plazme in številnih krvnih celic. Vsak zdravnik bo potrdil, da se lahko razlikuje v različnih delih žilnega sistema, kar je pogosto patologija. Vendar pa vsaka snov načeloma ni sposobna takšnih metamorfoz.

Doma se lahko zelo enostavno pripravi. Vzeti morate 1,5 delov škroba (idealno je koruzni škrob, krompirjev škrob pa bo zadostoval) in en del vode. Sestavine je treba mešati počasi, da ni grudic. Idealno bi bilo, da ga razporedite v precej tanko plast po pekaču, seveda pa lahko doživite kakršne koli interakcije. Poskusite hitro zajeti tekočino s prsti in na otip bo izgledala kot zmrznjena plastična masa. Sprostite prste in tekočina bo odtekla. Newtonska tekočina ni sposobna takih trikov! Lahko vzamete pest snovi in ​​jo začnete bruhati. Kmalu bo postalo viskozno in plastično, zato se bo zdelo, da pleše v vaših dlaneh - to je zelo zanimiv pogled! Tekočino zvaljajte v kepo, ta bo elastična in prijetna, a takoj ko sprostite dlan, se bo razširila. Zabavno mu je dodajati barve za igro z otroki. Nekateri gredo še dlje in poskušajo celo teči skozi nenewtonsko tekočino, kotaliti skozenj predmete ipd., a za takšne poskuse je seveda potrebno veliko več materiala kot za domače poskuse. Najdete lahko veliko video poročil in nadaljujete z raziskovanjem fascinantnega sveta fizike.