Nicht-Newtonsche Flüssigkeit - Non-Newtonian fluid

Teil einer Serie über
Kontinuumsmechanik
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ Ficksche Diffusionsgesetze
Gesetze Naturschutz Masse Schwung Energie Ungleichungen Clausius–Duhem (Entropie)
Solide Mechanik Verformung Elastizität linear Plastizität Hookes Gesetz Betonen Endliche Dehnung Unendliche Dehnung Kompatibilität Biegen Kontakt Mechanik Reibungs Materialversagenstheorie Bruchmechanik
Strömungsmechanik Flüssigkeiten Statik  · Dynamik Archimedes'sches Prinzip  · Bernoullis'sches Prinzip Navier-Stokes-Gleichungen Poiseuille-Gleichung  · Pascalsches Gesetz Viskosität ( Newtonisch  · Nicht-Newtonisch ) Auftrieb  · Mischen  · Druck Flüssigkeiten Adhäsion Kapillarwirkung Chromatographie Zusammenhalt (Chemie) Oberflächenspannung Gase Atmosphäre Boyles Gesetz Charles' Gesetz Kombiniertes Gasrecht Ficks Gesetz Gesetz von Gay-Lussac Grahams Gesetz Plasma
Rheologie Viskoelastizität Rheometrie Rheometer Intelligente Flüssigkeiten Elektrorheologische Magnetorheologische Ferrofluide
Wissenschaftler Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Fick Gay-Lussac Graham Hooke Newton Navier Noll Pascal Stokes Truesdell
v T e

Ein nicht-Newtonsches Fluid ist ein Fluid , das nicht dem Newtonschen Viskositätsgesetz folgt , dh konstanter Viskosität unabhängig von Spannungen. In nicht-newtonschen Flüssigkeiten kann sich die Viskosität unter Krafteinwirkung entweder in flüssiger oder fester ändern. Ketchup zum Beispiel wird beim Schütteln flüssiger und ist somit eine nicht-newtonsche Flüssigkeit. Viele Salzlösungen und geschmolzene Polymere sind nicht-newtonsche Flüssigkeiten, ebenso wie viele häufig vorkommende Substanzen wie Vanillepudding , Zahnpasta , Stärkesuspensionen , Maisstärke , Farbe , Blut , geschmolzene Butter und Shampoo .

Am häufigsten hängt die Viskosität (die allmähliche Verformung durch Scher- oder Zugspannungen ) von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten von der Scherrate oder dem Scherratenverlauf ab. Einige nicht-newtonsche Flüssigkeiten mit scherunabhängiger Viskosität zeigen jedoch immer noch normale Spannungsunterschiede oder anderes nicht-newtonsches Verhalten. In einer Newtonschen Flüssigkeit ist die Beziehung zwischen der Schubspannung und der Schergeschwindigkeit linear und geht durch den Ursprung , wobei die Proportionalitätskonstante der Viskositätskoeffizient ist . In einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit ist die Beziehung zwischen der Schubspannung und der Schergeschwindigkeit anders. Die Flüssigkeit kann sogar eine zeitabhängige Viskosität aufweisen . Daher kann kein konstanter Viskositätskoeffizient definiert werden.

Obwohl das Konzept der Viskosität in der Strömungsmechanik häufig verwendet wird , um die Schereigenschaften eines Fluids zu charakterisieren, kann es nicht ausreichen, um nicht-Newtonsche Fluide zu beschreiben. Sie werden am besten durch einige andere studierten rheologischen Eigenschaften , die sich unter Stress und Belastungsrate Tensoren unter vielen verschiedenen Strömungsbedingungen-wie oszillierende Scherung oder Dehnströmung-die verschiedene Geräte oder verwenden gemessen Rheometer . Die Eigenschaften lassen sich besser mit tensorwertigen Stoffgleichungen untersuchen , die in der Kontinuumsmechanik üblich sind .

Arten von nicht-Newton-Verhalten

Zusammenfassung

Klassifizierung von Flüssigkeiten mit Scherspannung in Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit.

Scherverdickungsflüssigkeit

Die Viskosität einer scherverdickenden Flüssigkeit oder dilatanten Flüssigkeit scheint zuzunehmen, wenn die Schergeschwindigkeit zunimmt. In Wasser suspendierte Maisstärke ("oobleck", siehe unten ) ist ein gängiges Beispiel: Bei langsamem Rühren sieht sie milchig aus, bei kräftigem Rühren fühlt sie sich an wie eine sehr viskose Flüssigkeit.

Scherverdünnungsflüssigkeit

Farbe ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit. Eine mit weißer Farbe bedeckte ebene Fläche wird vertikal ausgerichtet (vor der Aufnahme des Bildes lag die ebene Fläche horizontal auf einem Tisch). Die Flüssigkeit beginnt an der Oberfläche herunterzutropfen, wird jedoch aufgrund ihrer nicht-newtonschen Natur durch die Erdbeschleunigung belastet . Anstatt an der Oberfläche zu rutschen, bildet es daher sehr große und sehr dichte Tröpfchen mit begrenztem Tropfen.

Ein bekanntes Beispiel für das Gegenteil, eine strukturviskose Flüssigkeit oder pseudoplastische Flüssigkeit, ist Wandfarbe : Die Farbe sollte beim Auftragen auf eine Oberfläche leicht vom Pinsel abfließen, aber nicht zu stark abtropfen. Beachten Sie, dass alle thixotropen Flüssigkeiten extrem scherverdünnend sind, aber sie sind signifikant zeitabhängig, wohingegen die kolloidalen "scherverdünnenden" Flüssigkeiten augenblicklich auf Änderungen der Schergeschwindigkeit reagieren. Um Verwechslungen zu vermeiden, wird die letztere Klassifizierung daher klarer als pseudoplastisch bezeichnet.

Ein weiteres Beispiel für eine strukturviskose Flüssigkeit ist Blut. Diese Anwendung wird im Körper sehr bevorzugt, da sie die Viskosität des Blutes mit zunehmender Scherbelastung abnehmen lässt.

Bingham-Kunststoff

Flüssigkeiten, die eine lineare Beziehung zwischen Schubspannung und Schubdehnung aufweisen, aber eine endliche Fließgrenze benötigen, bevor sie zu fließen beginnen (die Auftragung der Schubspannung gegen die Schubdehnung geht nicht durch den Ursprung) werden als Bingham-Kunststoffe bezeichnet . Einige Beispiele sind Tonsuspensionen, Bohrschlamm, Zahnpasta, Mayonnaise, Schokolade und Senf. Die Oberfläche eines Bingham-Kunststoffs kann Spitzen halten, wenn sie still ist. Im Gegensatz dazu haben Newtonsche Flüssigkeiten im Ruhezustand flache, strukturlose Oberflächen.

Rheopektisch oder antithixotrop

Es gibt auch Flüssigkeiten, deren Dehnungsrate eine Funktion der Zeit ist. Als Rheopektik werden Flüssigkeiten bezeichnet, die eine allmählich ansteigende Scherspannung benötigen, um eine konstante Dehnungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten . Ein umgekehrter Fall ist eine Flüssigkeit, die mit der Zeit dünner wird und eine abnehmende Spannung erfordert, um eine konstante Dehnungsrate aufrechtzuerhalten ( thixotrop ).

Beispiele

Viele gebräuchliche Stoffe weisen nicht-newtonsche Strömungen auf. Diese beinhalten:

• Seifenlösungen, Kosmetika und Zahnpasta
• Lebensmittel wie Butter , Käse , Marmelade , Mayonnaise , Suppe , Toffee und Joghurt
• Naturstoffe wie Magma , Lava , Gummis , Honig und Extrakte wie Vanilleextrakt
• Biologische Flüssigkeiten wie Blut , Speichel , Sperma , Schleim und Gelenkflüssigkeit
• Schlämme wie Zementschlämme und Papierzellstoff, Emulsionen wie Mayonnaise und einige Arten von Dispersionen

Oobleck

Demonstration einer nicht-newtonschen Flüssigkeit bei Universum in Mexiko-Stadt

Oobleck auf einem Subwoofer. Das Anwenden von Kraft auf das Oobleck, in diesem Fall durch Schallwellen, bewirkt eine Verdickung der nicht-Newtonschen Flüssigkeit.

Ein kostengünstiges, ungiftiges Beispiel für eine nicht-newtonsche Flüssigkeit ist eine Suspension von Stärke (z Teile Maisstärke). Der Name "Oobleck" leitet sich vom Dr. Seuss Buch Bartholomew and the Oobleck ab .

Aufgrund seiner dilatanten Eigenschaften wird Oobleck oft in Demonstrationen verwendet, die sein ungewöhnliches Verhalten zeigen. Eine Person kann aufgrund ihrer Scherverdickungseigenschaften auf einer großen Wanne mit Oobleck gehen, ohne einzusinken, solange sich die Person schnell genug bewegt, um bei jedem Schritt genügend Kraft aufzubringen, um die Verdickung zu bewirken. Auch wenn Oobleck auf einem großen Subwoofer platziert wird, der mit ausreichend hoher Lautstärke betrieben wird, wird er dicker und bildet stehende Wellen als Reaktion auf niederfrequente Schallwellen aus dem Lautsprecher. Wenn eine Person Oobleck schlagen oder schlagen würde, würde es sich verdicken und sich wie ein Feststoff verhalten. Nach dem Schlag geht das Oobleck wieder in seinen dünnflüssigen Zustand zurück.

Flubber (Schleim)

Schleim fließt bei geringen Belastungen, bricht aber bei höheren Belastungen

Flubber, auch als Schleim allgemein bekannt ist , ist eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit, leicht von aus Polyvinylalkohol basierender Leime (wie weiße „school“ glue) und Borax . Es fließt bei geringen Spannungen, bricht jedoch bei höheren Spannungen und Drücken. Diese Kombination aus flüssigkeitsähnlichen und feststoffähnlichen Eigenschaften macht es zu einem Maxwell-Fluid . Sein Verhalten kann auch als zähelastisch oder gelatinös bezeichnet werden .

Gekühltes Karamell-Topping

Ein weiteres Beispiel dafür ist gekühltes Karamell- Eis- Topping (sofern es Hydrokolloide wie Carrageenan und Gellangummi enthält ). Durch die plötzliche Krafteinwirkung – zum Beispiel durch Einstechen mit dem Finger in die Oberfläche oder schnelles Umdrehen des sie haltenden Behälters – verhält sich die Flüssigkeit eher wie ein Feststoff als wie eine Flüssigkeit. Dies ist die " Scherverdickung "-Eigenschaft dieser nicht-Newtonschen Flüssigkeit. Eine sanftere Behandlung, wie das langsame Einführen eines Löffels, lässt ihn in seinem flüssigen Zustand zurück. Der Versuch, den Löffel wieder herauszuziehen, löst jedoch die Rückkehr des vorübergehenden festen Zustands aus.

Alberner Kitt

Silly Putty ist eine Suspension auf Silikonpolymerbasis , die je nach Belastungsrate fließt, springt oder bricht.

Pflanzenharz

Pflanzenharz ist ein viskoelastisches festes Polymer . Wenn es in einem Behälter belassen wird, fließt es langsam als Flüssigkeit, um sich den Konturen seines Behälters anzupassen. Wenn es jedoch mit größerer Kraft geschlagen wird, zerbricht es als Festkörper.

Treibsand

Treibsand ist ein strukturviskoses nicht-newtonsches Kolloid , das im Ruhezustand an Viskosität gewinnt. Die nicht-newtonschen Eigenschaften von Treibsand können beobachtet werden, wenn er einen leichten Stoß erfährt (z. B. wenn jemand darauf geht oder ihn mit einem Stock bewegt), zwischen seiner Gel- und Sol- Phase wechselt und sich scheinbar verflüssigt, wodurch Gegenstände auf der Oberfläche des Treibsands entstehen sinken.

Ketchup

Ketchup ist eine strukturviskose Flüssigkeit. Scherverdünnung bedeutet, dass die Viskosität der Flüssigkeit mit zunehmender Schubspannung abnimmt . Mit anderen Worten, die Flüssigkeitsbewegung ist anfänglich bei langsamen Verformungsgeschwindigkeiten schwierig, wird jedoch bei hohen Geschwindigkeiten freier fließen. Das Schütteln einer umgedrehten Ketchup-Flasche kann dazu führen, dass sie zu einer niedrigeren Viskosität übergeht, was zu einem plötzlichen Schwall des scherverdünnten Gewürzes führt.

Trockene Granulatströme

Unter bestimmten Umständen fließt von granulierten Materialien kann als ein Kontinuum, beispielsweise modelliert wird unter Verwendung des μ ( I ) Rheologie . Solche Kontinuumsmodelle neigen dazu, nicht-newtonsch zu sein, da die scheinbare Viskosität körniger Strömungen mit dem Druck zunimmt und mit der Scherrate abnimmt. Der Hauptunterschied ist die Scherspannung und die Schergeschwindigkeit.

Siehe auch

• Komplexe Flüssigkeit
• Dilatant
• Dissipative Partikeldynamik
• Generalisierte Newtonsche Flüssigkeit
• Herschel-Bulkley-Flüssigkeit
• Verflüssigung
• Navier-Stokes-Gleichungen
• Newtonsche Flüssigkeit
• Pseudoplastisch
• Treibsand
• Schneller Ton
• Rheologie
• Supraflüssigkeiten
• Thixotropie
• Weißenberg-Effekt

Verweise

Externe Links

• Klassische Experimente mit nicht-newtonschen Flüssigkeiten des National Committee for Fluid Mechanics auf YouTube