Ньютоновские и неньютоновские жидкости
В физике все жидкости принято разделять на две большие группы — ньютоновские и неньютоновские жидкости. Их главное различие заключается в реакции на внешнее воздействие: одни ведут себя стабильно, другие — изменяются под нагрузкой. Эти особенности широко используются в промышленности, науке и быту.
Ньютоновская жидкость
Ньютоновская жидкость — это такая среда, у которой вязкость остается постоянной независимо от силы воздействия, скорости перемешивания или течения. Её поведение полностью подчиняется закону Ньютона о внутреннем трении: чем быстрее движется слой жидкости, тем выше касательное напряжение. Математически это выражается так:
К ньютоновским жидкостям относятся вода, спирт, растительное масло, мёд, глицерин, растворы сахара и соли, ароматические углеводороды и другие однородные вещества. Все они демонстрируют стабильную вязкость при обычных условиях.
При ударе ньютоновская жидкость не меняет своих механических характеристик. Она не твердеет, а просто разлетается, разбрызгивается или растекается, как это происходит с водой или маслом. Такое поведение делает её полностью предсказуемой при любых режимах нагрузки.
Свойства ньютоновской жидкости
К основным характеристикам таких сред относятся:
- постоянство вязкости при изменении скорости движения;
- линейная зависимость напряжения от скорости сдвига;
- однородность структуры;
- устойчивость параметров при отсутствии резких изменений температуры и давления.
Плотность ньютоновской жидкости зависит исключительно от температуры и давления окружающей среды, но не меняется при ускорении течения или усилении механического воздействия. Коэффициент вязкости ньютоновской жидкости зависит от температуры, химического состава и давления. При нагревании вязкость, как правило, уменьшается, а при охлаждении — возрастает.
Пропорции ньютоновской жидкости
На практике часто изучаются не только классические, но и моделируемые жидкости. Для создания демонстрационных образцов чаще применяют крахмальные смеси. Обычно используют соотношения 1:1 или 2:1 (крахмал к воде), постепенно подбирая нужную консистенцию. Вода добавляется малыми порциями, а смесь тщательно перемешивается.
Применение ньютоновской жидкости
- В военной сфере
Хотя наибольшее распространение получили неньютоновские материалы, ньютоновские жидкости активно применяются в смазках, гидравлике и охлаждающих системах. Неньютоновские составы используются в бронезащите, например в материалах типа D3O (инновационные защитные полимерные материалы, которые в обычном состоянии мягкие и гибкие, но при резком ударном воздействии мгновенно твердеют, поглощая и рассеивая энергию удара). - В автомобильной промышленности
Жидкости с постоянной вязкостью применяются в системах охлаждения, тормозных механизмах и различных технических узлах. Также используются неньютоновские масла и амортизирующие. - В пожаротушении
Добавление специальных жидкостей в воду позволяет увеличивать дальность струи и эффективность тушения возгораний. - В мореплавании
Использование растворов в носовой части судов снижает сопротивление воды и увеличивает скорость хода. - В косметологии
Кремы, мази и гели сохраняют форму на коже благодаря вязким жидким основам, которые обеспечивают длительное удержание и равномерное распределение активных веществ. - В кулинарии
Майонезы, соусы, мед, йогурты и пасты имеют сложные реологические свойства, что позволяет придавать блюдам эстетичный внешний вид и нужную консистенцию. - В медицине
Контроль вязкости биологических жидкостей, особенно крови, имеет важнейшее диагностическое значение. Кроме того, мазевые препараты на жидкой основе применяются для ускорения заживления тканей.
Неньютоновские жидкости. Классификация неньютоновских жидкостей
- Вязкая ньютоновская жидкость
Термин «вязкая ньютоновская жидкость» применяется для описания сред с высокой, но всё же постоянной вязкостью. Однако среди неньютоновских жидкостей встречаются вещества, которые при слабом воздействии ведут себя твёрдо, а при превышении порога — начинают течь. Примеры: масляная краска, густые пасты, болотная жижа. - Псевдопластичные
Эти вещества не имеют предела текучести. При увеличении скорости сдвига их вязкость уменьшается. К ним относятся многие полимерные растворы и расплавы. - Дилатантные
У дилатантных жидкостей наблюдается противоположный эффект: рост скорости движения приводит к увеличению вязкости. Классический пример — крахмальный клейстер. При резком воздействии он становится почти твёрдым.
Так называемая ньютоновская жидкость из крахмала в действительности относится к неньютоновским средам. Смесь воды и крахмала способна демонстрировать двойственную природу: при быстром ударе она сопротивляется как твёрдое тело, а при медленном воздействии спокойно течёт.
Как приготовить:
- ингредиенты: вода и кукурузный или картофельный крахмал;
- пропорции: 1:1 или 2:1;
- процесс: воду медленно добавляют в крахмал, непрерывно перемешивая до получения однородной массы.
