Введение

Жидкость, вязкость которой изменяется в зависимости от приложенной силы/напряжения.

Не ньютоновская жидкость – это жидкость, которая не подчиняется закону вязкости Ньютона, то есть обладает переменной вязкостью, зависящей от напряжения. В частности, вязкость не ньютоновских жидкостей может изменяться под воздействием силы. Кетчуп, например, становится более жидким при встряхивании и, следовательно, является не ньютоновской жидкостью. Многие солевые растворы и расплавленные полимеры также являются не ньютоновскими жидкостями, как и многие распространенные вещества, такие как заварной крем, зубная паста, крахмальные суспензии, кукурузный крахмал, краска, кровь, растопленное сливочное масло и шампунь. Чаще всего вязкость (постепенная деформация под воздействием сдвиговых или растягивающих напряжений) не ньютоновских жидкостей зависит от скорости сдвига или истории скорости сдвига. Однако некоторые не ньютоновские жидкости с вязкостью, не зависящей от скорости сдвига, все же демонстрируют разницу нормальных напряжений или другое не ньютоновское поведение. В ньютоновской жидкости зависимость между сдвиговым напряжением и скоростью сдвига линейна, проходит через начало координат, а постоянной пропорциональности является коэффициент вязкости. В не ньютоновской жидкости эта зависимость иная. Жидкость может даже проявлять вязкость, зависящую от времени. Следовательно, постоянный коэффициент вязкости определить невозможно. Хотя понятие вязкости обычно используется в гидродинамике для характеристики сдвиговых свойств жидкости, оно может быть недостаточно для описания не ньютоновских жидкостей. Их лучше изучать с помощью других реологических свойств, связывающих тензоры напряжения и скорости деформации при различных условиях течения, таких как колебательный сдвиг или растягивающее течение, которые измеряются с помощью различных приборов или реометров. Эти свойства лучше исследовать с использованием тензорных конститутивных уравнений, которые широко используются в механике сплошных сред.

Резюме

+Сравнение не ньютоновских, ньютоновских и вискоэластичных свойств. Вискоэластичный материал Кельвина, материал Максвелла. "Параллельное" линейное сочетание эластических и вязких эффектов. Некоторые смазочные материалы, взбитые сливки, Silly Putty. Вязкость зависит от времени. Реопектическая: кажущаяся вязкость увеличивается с продолжительностью деформации. Синовиальная жидкость, типографская краска, гипсовая паста. Тиксотропная: кажущаяся вязкость уменьшается с продолжительностью деформации. Лак для ногтей, взбитые сливки, кетчуп, патока, сиропы, бумажная масса в воде, латексная краска, лёд, кровь, некоторые силиконовые масла, некоторые силиконовые покрытия, песок в воде. Обобщённые ньютоновские жидкости. Вязкость является функцией скорости сдвига. Напряжение зависит от нормальной и тангенциальной деформаций, а также от приложенного давления. Плазма крови, заварной крем, вода.

Жидкость для сжимания и утолщения

Вязкость жидкости, демонстрирующей эффект сдвигового утолщения, то есть дилатантной жидкости, возрастает с увеличением скорости сдвига. Распространенным примером является кукурузный крахмал, взвешенный в воде ("oobleck", см. ниже): при медленном перемешивании он выглядит как молоко, а при энергичном – ощущается как очень вязкая жидкость.

Жидкость для разжижения срезки

Примером обратного явления, известного как жидкость, демонстрирующая сдвиговое истончение, или псевдопластическая жидкость, является краска для стен: краска должна легко стекать с кисти при нанесении на поверхность, но не капать чрезмерно. Важно отметить, что все тиксотропные жидкости обладают выраженным сдвиговым истончением, но существенно зависят от времени, в то время как коллоидные жидкости, демонстрирующие сдвиговое истончение, реагируют на изменения скорости сдвига мгновенно. Таким образом, чтобы избежать путаницы, последнюю классификацию целесообразнее называть псевдопластической. Другой пример жидкости, демонстрирующей сдвиговое истончение, – это кровь. Это свойство крайне благоприятно для организма, поскольку позволяет снижать вязкость крови при увеличении скорости деформации сдвига.

Бингэмский пластик

Жидкости, демонстрирующие линейную зависимость между касательным напряжением и деформацией сдвига, но требующие определенного предела текучести для начала течения (график зависимости касательного напряжения от деформации сдвига не проходит через начало координат), называются пластиками Бингема. Примеры включают глиняные суспензии, буровой раствор, зубную пасту, майонез, шоколад и горчицу. Поверхность пластика Бингема может сохранять форму пиков в неподвижном состоянии. В отличие от них, ньютоновские жидкости имеют плоские и гладкие поверхности, когда они неподвижны.

Реопэктические или антитихотропные

Существуют также жидкости, скорость деформации которых является функцией времени. Жидкости, которым требуется постепенно возрастающее напряжение сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектическими. Обратным случаем является жидкость, которая со временем разжижается и требует уменьшающегося напряжения для поддержания постоянной скорости деформации (тиксотропная).

Облик

Недорогой и нетоксичный пример не ньютоновской жидкости — это суспензия крахмала (например, кукурузного крахмала) в воде, которую иногда называют «ооблек», «ооз» или «волшебной грязью» (1 часть воды на 1,5–2 части кукурузного крахмала). Название «ооблек» происходит от книги доктора Сьюза «Бартоломей и Ооблек».

Холодный карамельный топинг

Другим примером течения не ньютоновской жидкости является охлажденный карамельный топпинг для мороженого (при условии, что он содержит гидроколлоиды, такие как каррагинан и геллановая камедь). Внезапное приложение силы – например, при протыкании поверхности пальцем или быстром переворачивании емкости с ним – заставляет жидкость вести себя как твердое тело, а не как жидкость. Это свойство "уплотнения при сдвиге" данной не ньютоновской жидкости. Более аккуратное обращение, например, медленное погружение ложки, оставит ее в жидком состоянии. Однако, резкое выдергивание ложки приведет к возвращению временного твердого состояния.

Глупый макет

Silly Putty – это суспензия на основе силиконового полимера, которая может течь, подпрыгивать или рваться в зависимости от скорости деформации.

Растительная смола

Растительная смола — вязкоупругий твёрдый полимер. Если оставить её в ёмкости, она будет медленно течь как жидкость, принимая форму ёмкости. Однако при более сильном ударе она разрушится как твёрдое вещество.

Пыльчатые пески

Живые пески — это неньютоновский коллоид, демонстрирующий тиксотропию – увеличение вязкости в состоянии покоя. Неньютоновские свойства живых песков проявляются при небольшом механическом воздействии (например, при ходьбе по ним или перемешивании палкой), когда происходит переход между гелеобразной и жидкой фазами, создавая иллюзию разжижения и приводя к погружению объектов на поверхности.

Кетчуп

Кетчуп – это псевдопластичная жидкость. Псевдопластичность означает, что вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжения сдвига. Иными словами, движение жидкости изначально затруднено при низких скоростях деформации, но становится более свободным при высоких скоростях. Встряхивание перевернутой бутылки кетчупа может привести к снижению его вязкости благодаря псевдопластичности, что облегчает выливание из бутылки.

Сухие гранулярные потоки

При определенных обстоятельствах потоки гранулированных материалов могут быть смоделированы как континуум, например, с использованием реологии μ(I). Такие модели континуума обычно являются неньютоновскими, поскольку кажущаяся вязкость гранулированных потоков возрастает с увеличением давления и уменьшается с увеличением скорости сдвига. Основное различие заключается в напряжении сдвига и скорости сдвига.