Що таке неньютоновская рідина? Приклади і експерименти. Ньютонівські і неньютонівські рідини Для чого потрібна ньютоновская рідина

У більшості рідин (вода, низькомолекулярні органічні сполуки, істинні розчини, розплавлені метали і їх солі) коефіцієнт в'язкості залежить тільки від природи рідини і температури. Такі рідини називаються ньютоновскимиі сили внутрішнього тертя, що виникають в них, підкоряються закону Ньютона (формула 11).

У деяких рідин, переважно високомолекулярних (наприклад, розчини полімерів) або представляють дисперсійні системи (суспензії і емульсії),  залежить також від режиму течії - тиску і градієнта швидкості. При їх збільшенні в'язкість рідини зменшується внаслідок порушення внутрішньої структури потоку рідини. Їх в'язкість характеризують так званим умовним коефіцієнтом в'язкості, який відноситься до певних умов перебігу рідини (тиск, швидкість). Такі рідини називаються структурно в'язкими або неньютоновскими.

1.4. Перебіг в'язкої рідини. Формула Пуазейля.

Займаючись дослідженням кровообігу, французький лікар і фізик Пуазейль прийшов до необхідності кількісного опису процесів течії в'язкої рідини взагалі. Встановлені ним для цього випадку закономірності мають важливе значення для розуміння сутності гемодинамічних явищ і їх кількісного опису.

Пуазейль встановив, що в'язкість рідини може бути визначена за обсягом рідини, що протікає через капілярну трубку. Цей метод можна застосовувати тільки до випадку ламінарної течії рідини.

Нехай на кінцях вертикальної капілярної трубки довжиною lі радіусом Rстворена постійна різниця давленійр. Виділимо всередині капіляра стовпчик рідини радіусом rі висотою h. На бічну поверхню цього стовпчика діє сила внутрішнього тертя:

Мал. 6 Схема для виведення формули Пуазейля.

якщо р 1 і р 2 - тиску на верхнє і нижнє перетину відповідно, то сили тиску на ці перетину дорівнюватимуть:

F 1 = p 1  r 2 і F 2 = p 2  r 2 .

Сила тяжіння дорівнює F тяж = mgh=  r 2 gl.

При усталеному русі рідини, згідно з другим законом Ньютона:

F тр + F тиску + F тяж =0,

Враховуючи що (р 1 -р 2 ) = р,dv одно:

інтегруємо:

Постійну інтегрування знаходимо з умови, що при r= Rшвидкість v=0 (Шари, прилеглі безпосередньо до труби, нерухомі):

Швидкість частинок рідини в залежності від відстані від осі дорівнює:

Обсяг рідини, що протікає через деякий перетин трубки в просторі між циліндричними поверхнями радіусами rі r+ drза час t, Визначається за формулою dV=2  rdrvtабо:

Повний обсяг рідини, що протікає через перетин капіляра за час t:

(19)

У разі, коли нехтуємо силою тяжіння рідини (горизонтальний капіляр), об'єм рідини, що протікає через перетин капіляра, виражається формулою Пуазейля:

(20)

Формулу 20 можна перетворити: розділимо обидві частини цього виразу на час закінчення t. Зліва отримаємо об'ємну швидкість течії рідини Q (Обсяг рідини, що протікає через перетин за одиницю часу). величину 8  l/ 8  R 4 позначимо через Х ..Тоді формула 20 набуває вигляду:

(21)

В такому записі формула Пуазейля (її ще називають рівнянням Гагена-Пуазейля) аналогічна закону Ома для ділянки електричного кола.

Можна провести аналогію між законами гідродинаміки і законами протікання електричного струму по електричних ланцюгів. Об'ємна швидкість течії рідини Qє гідродинамічним аналогом сили електричного струму I.Гідродинамічним аналогом різниці потенціалів  1 -  2 є перепад тисків Р 1 - Р 2 . Закон Ома I \u003d ( 1 -  2 ) / Rмає своїм гідродинамічним аналогом формулу 20. Величина Хявляє собою гідравлічний опір - аналог електричного опору R.

теорія пружності
Напруга · Тензор · Тверді тіла · Гнучкість · Пластичність · Закон Гука · Реологія · В'язкопружні

гідродинаміка
Рідина · Гідростатика · Гідродинаміка · В'язкість · ньютоновская рідина · Неньютонівської рідина · Поверхневий натяг

Основні рівняння
Рівняння безперервності · Рівняння Ейлера · Рівняння Нав'є - Стокса · Рівняння вихору · Рівняння дифузії · Закон Гука

Див. також: Портал: Фізика

ньютоновская рідина (Названа так на честь Ісаака Ньютона) - в'язка рідина, що підкоряється в своїй течії закону в'язкого тертя Ньютона, тобто дотичне напруження і градієнт швидкості в такій рідини лінійно залежні. Коефіцієнт пропорційності між цими величинами відомий як в'язкість.

визначення

Просте рівняння, що описує сили в'язкості в ньютонівської рідини, багато в чому визначають її поведінку, засноване на сдвиговом перебігу:

$\backslash \backslash \; Tau\; \backslash u003d\; \backslash \backslash \; mu\; \backslash \backslash \; frac\; (\backslash \backslash \; partial\; u)\; (\backslash \backslash \; partial\; y)$,

• $\backslash \backslash \; tau$ - дотичне напруження, яке викликається рідиною, Па;
• $\backslash \backslash \; mu$ - динамічний коефіцієнт в'язкості - коефіцієнт пропорційності, Па · с;
• $\backslash \backslash \; Frac\; (\backslash \backslash \; partial\; u)\; (\backslash \backslash \; partial\; y)$ - похідна швидкості в напрямку, перпендикулярному напрямку зсуву, с -1.

Це рівняння зазвичай використовують при перебігу рідини в одному напрямку, коли вектор швидкості течії можна вважати сонаправленнимі (паралельним) у всіх точках розглянутого об'єму рідини.

З визначення, зокрема, випливає, що ньютонівська рідина продовжує текти, навіть якщо зовнішні сили дуже малі, аби вони не були строго нульовими. Для ньютонівської рідини в'язкість, за визначенням, залежить тільки від температури і тиску (а також від хімічного складу, якщо рідина не є беспримесной), і не залежить від сил, що діють на неї. Типова ньютоновская рідина - вода.

• $\backslash \backslash \; Tau\_\; (ij)$ - дотичне напруження на $i$-й межі елемента рідини в $j$-м напрямку;
• $u\_i$ - швидкість в $i$-м напрямку;
• $x\_j$ - $j$-я координата напрямки.

Якщо рідина не підпорядковується цим відносинам (в'язкість змінюється в залежності від швидкості течії рідини), то її на противагу називають неньютоновской рідиною: розчини полімерів, ряд твердих суспензій і більшість дуже в'язких рідин.

Напишіть відгук про статтю "Ньютоновская рідина"

Примітки

Див. також

Уривок, що характеризує Ньютоновская рідина

Милорадович круто повернув свого коня і став трохи за государя. Апшеронци, порушувані присутністю государя, молодецьким, жвавим кроком відбиваючи ногу, проходили повз імператорів і їх свити.
- Хлопці! - крикнув гучним, самовпевненим і веселим голосом Милорадович, мабуть, до такого ступеня збуджений звуками стрільби, очікуванням битви і видом молодців апшеронцев, ще своїх суворовських товаришів, жваво проходили повз імператорів, що забув про присутність государя. - Хлопці, вам не перше село брати! - крикнув він.
- Ради старатися! - прокричали солдати.
Кінь государя кинулось від несподіваного крику. Кінь ця, яка носила государя ще на оглядах в Росії, тут, на Аустерлицком поле, несла свого вершника, витримуючи його розсіяні удари лівою ногою, насторожувала вуха від звуків пострілів, точно так же, як вона робила це на Марсовому полі, не розуміючи значення ні цих чули пострілів, ні сусідства вороного жеребця імператора Франца, ні всього того, що говорив, думав, відчував у цей день той, хто їхав на ній.
Государ з посмішкою звернувся до одного зі своїх наближених, вказуючи на молодців апшеронцев, і що то сказав йому.

Кутузов, сопутствуемий своїми ад'ютантами, поїхав кроком за карабінерами.
Проїхавши з півверсти в хвості колони, він зупинився у самотнього покинутого будинку (ймовірно, колишнього трактиру) біля розгалуження двох доріг. Обидві дороги спускалися під гору, і по обидва йшли війська.
Туман починав розходитися, і невизначено, верстах в двох відстані, виднілися вже ворожі війська на протилежних височинах. Ліворуч внизу стрілянина ставала більше чуємо. Кутузов зупинився, розмовляючи з австрійським генералом. Князь Андрій, стоячи кілька позаду, вдивлявся в них і, бажаючи попросити зорову трубу у ад'ютанта, звернувся до нього.
- Подивіться, подивіться, - говорив цей ад'ютант, дивлячись нема на далеке військо, а вниз по горі перед собою. - Це французи!
Два генерала і ад'ютанти стали хапатися за трубу, вириваючи її один у іншого. Всі особи раптом змінилися, і на всіх висловився жах. Французів припускали за дві версти від нас, а вони з'явилися раптом, несподівано перед нами.
- Це ворог? ... Ні! ... Так, дивіться, він ... напевно ... Що ж це? - почулися голоси.
Князь Андрій простим оком побачив внизу праворуч піднімалася назустріч апшеронцам густу колону французів, які не далі п'ятисот кроків від того місця, де стояв Кутузов.
«Ось вона, настала рішуча хвилина! Дійшло до мене справа », подумав князь Андрій, і вдаривши коня, під'їхав до Кутузову. «Треба зупинити апшеронцев, - закричав він, - ваше превосходительство!» Але в ту ж мить все застеленому димом, пролунала близьку стрілянину, і наївно переляканий голос за два кроки від князя Андрія закричав: «ну, братці, шабаш!» І начебто голос цей був команда. З цього голосу все впало бігти.
Змішані, все збільшуються натовпу бігли назад до того місця, де п'ять хвилин тому війська проходили повз імператорів. Не тільки важко було зупинити цей натовп, але неможливо було самим не податися назад разом з натовпом.

Перші наукові роботи про характеристики неньютоновскіх рідин з'явилися ще в 50-х роках минулого століття і були безпосередньо пов'язані зі стрімким розвитком біоніки, біомеханіки, біогідродінамікі і харчової промисловості. Широке застосування нанопорошкових і полімерних присадок в цілому ряді складних завдань гідродинаміки на сьогоднішній день знову викликало небувалий інтерес до неньютонівська рідина.

Малюнок 1. Приклади неньютоновской рідини. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт

Найвідомішим і найпоширенішим прикладом зазначених елементів є хиткі піски. Хиткі піски вкрай небезпечні тим, що вони здатні засмоктувати в себе абсолютно всі, що в них потрапляє. Стань на такий пісок - і почнеш одразу тонути в ньому, проте якщо ж швидко і сильно вдарити по сипучих пісках, то він на мить затвердіє.

визначення 1

Властивості неньютоновскіх рідин досліджує наука реологія, методи і принципи якої спрямовані на вивчення деформаційних положень реальних тіл і нюансів плинності фізичного речовини.

Реологія також розглядає діючі на матеріальне тіло механічні напруги і викликаються в результаті цього ефекту деформації.

Термін "реологія" ввів видатний американський фізик-теоретик Юджин Бінгем. Офіційно це визначення було засновано на 3-му симпозіумі по пластичності на території США в 1929 році, проте окремі положення реологии встановлювалися задовго до цього.

Ньютонівські і неньютонівські рідини

визначення 2

Якщо в рухомих частинках їх в'язкість залежить тільки від природи і температури і не залежить від градієнта швидкості, то такі елементи в фізиці називають ньютоновскими.

Реальні рідини на практиці можуть бути неньютоновскими і ньютоновскими.

У ньютоновских речовинах при русі одного потоку рідини відносно іншого показник дотичного внутрішньої напруги пропорційний швидкості зсуву.

При відносному і стабільному спокої ці напруги завжди дорівнюють нулю. Така закономірність була вперше встановлена \u200b\u200bНьютоном в 1686 році, тому ці об'єкти (масло, вода, бензин, гліцерин, гас і ін.) Носять назви ньютонівські. Зазначені рідини не оснащені великою рухливістю і відрізняються від неньютоновскіх рідин наявністю дотичних напружень в стані спокою.

зауваження 1

Ньютоновскими вважаються досить велика частина рідин, з якими вчені звикли мати справу: водні розчини, вода, нафтопродукти, ацетон і так далі.

При ламінарному незапланований перебігу елементи між двома плоскопараллельнимі пластинках здійснюють роботу з постійною швидкістю v під впливом сили F, а нижня лінія залишається нерухомою. В основному шари рідини переміщаються з різними швидкостями - від максимальної у самій верхній пластинки до абсолютного нуля у нижній.

Перебіг ньютонівських рідин повністю підпорядковується рівнянню Ньютона-Петрова, тобто дотичне і внутрішнє напруження, а також градієнт щільності лінійно залежні, а параметр пропорційності η між зазначеними величинами виступає як сполучна ланка.

Неньютонівські рідини не піддаються принципам і законам звичайних рідин. Ці речовини змінюють власну щільність і в'язкість при впливі на них фізичною силою, причому не тільки механічною дією, але і навіть звуковими нестабільними хвилями.

Якщо впливати на неньютонівської рідина тільки механічними зусиллями, можливо отримати зовсім інший ефект:

• досліджуваний об'єкт починає приймати характеристики твердих тіл і вести себе як фізичне речовина;
• зв'язок між молекулами рідини буде автоматично посилюватися із зростанням сили впливу на неї;
• в'язкість неньютоновскіх рідин зросте при зменшенні швидкості струму самої рідини.

приклад 1

Наприклад, водний розчин крохмалю при різних ситуаціях поводиться по-різному в залежності від зовнішнього впливу.

Класифікація неньютоновскіх рідин

Відомі класифікації неньютоновскіх рідин спочатку побудовані на емпіричних формулах, які пов'язують швидкість деформації і в'язкість. За цим рівнянням дослідники вибудовують криві течії рідин.

Відповідно до методів Ньютона-Петрова, графік залежності внутрішньої напруги від градієнта початкової швидкості являє собою пряму лінію, яка виходить з початку координат. Нахил даної прямої прямо пропорційний щільності ньютонівської рідини. Неньютоновскими, або аномальними, називають такі рідини, протягом яких не може підкорятися закону Ньютона, для них все дотичні напруження позначаються більш складними залежностями, ніж формули Ньютона-Петрова.

зауваження 2

Таких, аномальних з точки зору сучасної гідравліки, рідин вкрай чимало.

Вони широко застосовуються в хімічній нафтової, переробної та інших сферах промисловості.

Неньютонівські рідини поділяють на три основні групи:

• неньютонівські вязкоупругие рідини;
• неньютонівські нестабільні рідини;
• неньютонівські в'язкі рідини.

До першої групи вчені відносять тільки в'язкі (або стаціонарні) рідини, характеристики яких знаходяться поза залежністю часу. По виду таких кривих виділяють наступні рідини цієї підгрупи: псевдопластичні рідини, бінгамовскіе і ділатантні.

До другої групи рідин прийнято відносити неньютонівські рідкі речовини, властивості яких залежать від часу. Ці рідини на даний момент поділяють на тиксотропні і реопектіческіе.

До третьої групи відносяться вязкоупругие, або максвелловскую елементи. Удавана в'язкість цих речовин зменшується під впливом напружень, після зняття яких об'єкти частково відновлюють початкову форму. До цього типу рідин можливо зарахувати деякі пасти і смоли тістоподібної консистенції

Застосування неньютоновскіх рідин

На сьогоднішній день неньютоновсскіе рідини використовуються практично у всіх сферах життєдіяльності людини розглянемо деякі з них:

1. У військовому масштабному виробництві. У США на базі даних рідин, міністерство оборони запустило виробництво універсальних бронежилетів для військових. Ці пристосування за своїми характеристиками значно краще звичайних, так як легше по вазі і набагато простіше у виготовленні. Матеріал, з якого складаються ці бронежилети, називається $ d3o $. Дане сировину відносять до ділатантні ньютоновским рідин.
2. В автомобільній промисловості. Також неньютонівські рідини застосовуються в автомобільній промисловості. Дизельні і моторні масла синтетичного виробництва на основі досліджуваних об'єктів поступово зменшують початкову в'язкість в кілька десятків разів, при раптовому підвищенні оборотів двигуна, дозволяючи при цьому в значній мірі зменшити тертя в моторі. Неньютонівські рідини використовують в новітніх технологіях для здійснення якісної амортизації деяких елементів механічних машин. Реологические експерименти дозволяють вирішувати складні гідродинамічні завдання.
3. У нафтопромисловості. Практичний і особливий інтерес представляє також активне використання специфічних реологічних методів. Так, невеликі полімерні добавки до нафтопродуктів і воді оснащують рідина новими реологическими властивостями, завдяки чому миттєво знижується гідравлічний опір при стрімкому турбулентному плині. Неньютонівські рідини мають ряд унікальних особливостей, завдяки яким зниження сили тертя відбувається швидко і легко.
4. В пожежогасінні і мореплавання. У 50-ті роки американські рятувальники почали додавати нові полімерні добавки в рідину, яка витікала з брандспойта, при цьому довжина струменя зростала в півтора рази. Можна також збільшити швидкість судна за допомогою впорскування біля його носової частини малих кількостей ньютоновского розчину. Є теорія, що дельфіни і інші мешканці океанів теж «застосовують» даний ефект для зменшення небажаного гідродинамічного опору.
5. У косметології. Щоб косметика змогла протягом тривалого часу триматися на шкірі, її необхідно зробити вузький, будь це блиск для губ або рідкий тональний крем. У масовому виробництві косметики часто використовують спеціальні речовини, які називаються модифікаторами підсумкової в'язкості. У домашній косметиці для аналогічних цілей застосовують різні масла і віск.

ПИТАННЯ: Що таке неньютоновская рідина? Як її зробити в домашніх умовах?
ВІДПОВІДЬ: неньютонівської рідиною називають рідину, яка змінює свою в'язкість залежно від градієнта швидкості. Вона складається з великих молекул, які утворюють складні неоднорідні просторові структури. Це означає, що чим швидше вдарити ( докласти зовнішній вплив) По поверхні неньютоновской рідини, тим більше стає її в'язкість.

Якщо повільно опустити пальці в неньютоновской рідина, то вона буде все такий же рідкої, як звичайна вода, не створюючи ніяких перешкод для вашої руки. Але якщо ви спробуєте з усієї сили вдарити по поверхні неньютоновской рідини, то вас чекає, як мінімум, здивування, оскільки її поверхня миттєво перетвориться в пружну масу, яка не дасть вашій руці зануриться всередину неї!

Як зробити в домашніх умовах

Рецепт досить простий і дешевий: сходіть в магазин і купіть звичайний крохмаль, підійде будь-який - картопляний або кукурудзяний. Потім змішайте його з водою в співвідношенні 2: 1. Це все, неньютоновская рідина готова! Тепер можете проводити експерименти в домашніх умовах.

Ньютонівські і неньютонівські рідини останнім часом викликають активний інтерес не тільки вчених, але і простих людей. Це пов'язано з тим, що неньютонівська рідина легко виготовляється своїми руками і підходить для домашніх дослідів. Для початку розберемося, що це взагалі за субстанції такі. Ньютоновская рідина підпорядковується закону в'язкого тертя Ньютона, тому й отримала таку назву. Згідно з цим законом, дотичне напруження в площинах зіткнення шарів рідини прямо пропорційно похідної від швидкості її течії у напрямку нормалі до цих площинах.

Звучить досить складно, але читачеві буде більш зрозуміло, якщо сказати, що ньютонівська рідина - це вода, масло і велика частина звичних нам в щоденному використанні текучих речовин, тобто таких, які зберігають свій агрегатний стан, що б ви з ними не робили ( якщо мова не йде про випаровуванні або заморожування, звичайно). А ось якщо залежність, описана у визначенні вище, є обернено пропорційною, можна говорити про неньютоновской рідини.

Така рідина завжди неоднорідна, в ній є великі молекули, що збираються в кристалічні решітки, тому в'язкість безпосередньо залежить від швидкості течії з'єднання. Чим вище швидкість, тим більше в'язкість. Частково до цього типу речовин відносять тиксотропні рідини, тобто ті, що змінюють в'язкість з плином часу, наприклад, шпаклівка або шоколад. Так само деякі вчені схильні вважати кров речовиною, що діє не за законами в'язкого тертя Ньютона, адже це неоднорідна рідина, вона являє собою суспензію з плазми і безлічі кров'яних тілець. Будь-який лікар підтвердить, що може варіюватися в різних ділянках судинної системи, що нерідко є патологією. Однак не всяка субстанція в принципі здатна на такі метаморфози.

Можна приготувати вдома дуже легко. Потрібно взяти 1,5 частини крохмалю (в ідеалі кукурудзяного, але і картопляний підійде) і одну частину води. Інгредієнти слід повільно змішати так, щоб не було грудок. В ідеалі варто розподілити її досить тонким шаром на деку, але, звичайно, можна відчувати будь-які взаємодії. Спробуйте швидко «згребти» рідина пальцями, і вона буде виглядати і відчуватися, як застигла пластична маса. Розслабте пальці - і рідина стече. Ньютоновская рідина на такі фокуси не здатна! Можна набрати речовина в жменю і почати підкидати його вгору. Дуже скоро воно стане в'язким і пластичним, а тому ніби затанцює в ваших долонях - це дуже цікаве видовище! Скачайте рідина в грудку, він буде пружним і приємним, а варто розслабити долоню - розтечеться. Цікаво додавати в неї барвники, щоб пограти з дітьми. Деякі йдуть далі і намагаються навіть бігати по неньютоновской рідини, катати по ній предмети та інше, але для таких експериментів, звичайно, потрібно набагато більше матеріалу, ніж для домашніх дослідів. Можна знайти безліч відеозвітів і продовжувати вивчати захоплюючий світ фізики.