Отличия ньютоновской жидкости от неньютоновской — раскрываем различия и особенности

Понятия ньютоновской и неньютоновской жидкостей являются ключевыми в физике и играют важную роль в практических моментах, таких как расчеты движения жидкостей, проектирование различных устройств и многое другое. Однако, что делает эти жидкости такими особенными и отличающимися друг от друга?

Ньютоновская жидкость – это жидкость, которая подчиняется закону Ньютона вязкости и проявляет линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации. Другими словами, в ньютоновской жидкости сдвиговое напряжение (тангенциальное напряжение) пропорционально градиенту скорости.

С другой стороны, неньютоновская жидкость нарушает этот закон и проявляет нелинейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации. Это может быть вызвано различными факторами, такими как изменение концентрации, температуры или конформации молекул внутри жидкости.

Различия между ньютоновской и неньютоновской жидкостями существенны и имеют практическое значение. Знание этих особенностей позволяет инженерам и ученым адаптировать и разрабатывать соответствующие модели и методы расчета для каждого типа жидкости, что является фундаментом для многих высокотехнологичных отраслей.

Что такое ньютоновская жидкость?

В ньютоновской жидкости величина вязкости остается постоянной независимо от величины напряжения сдвига и времени. Это означает, что ньютоновская жидкость имеет constancy вязкости и линейную зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации.

Специфическим примером ньютоновской жидкости является вода. Вода обладает постоянной вязкостью при любых условиях. Если применить силу, чтобы переместить слой воды, он будет перемещаться равномерно и плавно, без изменения скорости. Это свойство ньютоновской жидкости широко используется в инженерии и научных исследованиях.

Что такое неньютоновская жидкость?

Основным признаком неньютоновской жидкости является то, что ее вязкость может быть как уменьшена, так и увеличена при действии внешних факторов, таких как давление, сдвиговое напряжение или температура. Это свойство делает неньютоновские жидкости особенно интересными для исследования и применения в различных областях науки и техники.

Неньютоновская жидкость может проявлять различные типы поведения, включая тикание (скачкообразное изменение вязкости при изменении напряжения), дилатантность (увеличение вязкости при увеличении напряжения) и псевдопластичность (уменьшение вязкости при увеличении напряжения).

Примерами неньютоновских жидкостей являются кетчуп, смазочные материалы, кровь и паста.

Физические свойства

Ньютоновская жидкость:

1. Вязкость ньютоновской жидкости не зависит от напряжения сдвига или скорости деформации. Это означает, что вязкость остается постоянной при любом значении приложенного напряжения или скорости.

2. У ньютоновской жидкости линейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации. Если увеличить напряжение вдвое, то скорость деформации также увеличится вдвое.

Примеры ньютоновских жидкостей: вода, растительное масло, спирт.

Неньютоновская жидкость:

1. Вязкость неньютоновской жидкости зависит от напряжения сдвига или скорости деформации. Это означает, что вязкость может меняться в зависимости от приложенного напряжения или скорости.

2. У неньютоновской жидкости нелинейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью деформации. Увеличение напряжения может вызвать не пропорциональное изменение скорости деформации.

Примеры неньютоновских жидкостей: кетчуп, тесто для выпечки, кровь.

Различия в вязкости

Ньютоновская жидкость обладает постоянной вязкостью, то есть ее вязкость остается неизменной независимо от силы, с которой на нее воздействуют. Это означает, что при изменении напряжения жидкость будет деформироваться и текучая скорость будет пропорциональной напряжению. Примерами ньютоновских жидкостей могут служить вода и некоторые масла.

Неньютоновская жидкость, в свою очередь, имеет изменчивую вязкость в зависимости от напряжения, ей приложенного к ней. При увеличении силы, жидкость может изменить свою вязкость и стать более жидкой или наоборот, более твердой. Это явление называется тикание или дилятансия, и это типично для некоторых полимерных жидкостей и суспензий.

Разница в вязкости между ньютоновской и неньютоновской жидкостью заключается в их отличиях в поведении при действии сил. Ньютоновская жидкость остается постоянной вязкостью независимо от силы, под которой она находится, в то время как неньютоновская жидкость может менять свою вязкость в зависимости от условий.

Скорость деформации

В случае неньютоновской жидкости скорость деформации зависит от приложенного к ней напряжения. При небольших значениях напряжения скорость деформации неньютоновской жидкости может быть меньше, чем у ньютоновской жидкости, а при больших значениях напряжения – больше. Это связано с тем, что неньютоновская жидкость имеет внутреннюю структуру или состояние, которое может меняться под воздействием напряжения.

Примером неньютоновской жидкости может служить кетчуп или майонез. При небольшой силе, которую мы прикладываем, они могут вести себя как ньютоновская жидкость – сопротивление скольжению пренебрежимо мало и скорость деформации незначительна. Но при нарастании силы внутренняя структура изменяется, и скорость деформации увеличивается, что проявляется в изменении текучести и вязкости.

Разница в скорости деформации между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями является существенной при моделировании их поведения в различных процессах, таких как течение через трубы, перемешивание или наливание. Понимание и учет этой особенности позволяют более точно описывать и предсказывать свойства и поведение жидкостей в различных условиях и при разных воздействиях.

Поведение под воздействием силы

Ньютоновская жидкость и неньютоновская жидкость сильно отличаются в своем поведении под воздействием силы.

В ньютоновской жидкости под воздействием силы она будет деформироваться пропорционально силе, приложенной к ней. Это означает, что сила и деформация жидкости взаимно пропорциональны. Ньютоновская жидкость обладает постоянной вязкостью, что означает, что ее вязкость не меняется с изменением скорости или силы, действующей на нее. Это свойство позволяет прокладывать судоходные пути, прокладывать трубопроводы и выполнять другие задачи, связанные с перемещением жидкости.

С другой стороны, неньютоновская жидкость не подчиняется этому закону вязкости. В некоторых неньютоновских жидкостях вязкость может меняться в зависимости от скорости деформации или других факторов. Например, некоторые неньютоновские жидкости становятся более течкими при увеличении скорости сдвига, в то время как другие становятся менее течкими. Это поведение неньютоновских жидкостей может быть связано с их структурой или составом.

Из-за различий в поведении под воздействием силы, ньютоновские и неньютоновские жидкости могут использоваться в различных технических и промышленных приложениях. Ньютоновские жидкости обычно используются в гидравлике, в том числе в гидродинамическом тормозе и в гидропередаче. Неньютоновские жидкости могут использоваться в таких областях, как косметическая промышленность, пищевая промышленность и фармацевтическая промышленность.

Реологическое поведение

Реологическое поведение жидкости описывает ее способность деформироваться и течь под действием механических сил. Реологические свойства жидкости обусловлены внутренними взаимодействиями между частицами вещества.

В ньютоновской жидкости сила, вызывающая деформацию, пропорциональна скорости деформации. При этом, ньютоновская жидкость обладает постоянной вязкостью. Примером ньютоновской жидкости может служить вода.

Неньютоновская жидкость, в отличие от ньютоновской, не обладает постоянной вязкостью. В этом типе жидкости сила, вызывающая деформацию, не пропорциональна скорости деформации. Неньютоновская жидкость может проявлять такие реологические свойства, как псевдопластичность (повышение вязкости при увеличении скорости деформации), тиксотропность (понижение вязкости со временем при постоянной силе деформации) или дилятантность (повышение вязкости со временем при постоянной силе деформации).

Примером неньютоновской жидкости может служить кетчуп, который при медленном потоке обладает высокой вязкостью, но становится более текучим при увеличении деформации.

Различия в реологическом поведении между ньютоновской и неньютоновской жидкостями играют важную роль в промышленности и научных исследованиях, так как позволяют оптимизировать процессы, связанные с поведением и использованием жидкостей.

Реакция на механическое напряжение

Реакция ньютоновской и неньютоновской жидкости на механическое напряжение имеет существенные различия. Ньютоновская жидкость стабильно подчиняется закону вязкости, устанавливающему пропорциональность скорости деформации и напряжения. Это означает, что ньютоновская жидкость будет сопротивляться деформации одинаково при любой скорости.

В отличие от ньютоновской, неньютоновская жидкость нарушает закон вязкости и может проявлять нелинейное поведение. При нанесении механического напряжения на неньютоновскую жидкость, ее реакция может быть неоднородной и зависеть от интенсивности напряжения.

Основными различиями между реакцией ньютоновской и неньютоновской жидкостей на напряжение являются:

Различия в реакции ньютоновской и неньютоновской жидкостей на механическое напряжение определяют их уникальные свойства и поведение в различных условиях. Понимание этих различий имеет важное значение для практических приложений и улучшения процессов, связанных с переработкой и использованием различных типов жидкостей.

Реальные примеры

Как пример неньютоновской жидкости можно привести кетчуп или промышленные пластики. Кетчуп имеет нелинейную зависимость вязкости от скорости сдвига и даже может иметь явление «ожирения» — то есть повышение вязкости со временем. Промышленные пластики обладают анизотропной (неодинаковой в разных направлениях) вязкостью, что делает их сложными для моделирования и применения в практических задачах.

В таблице ниже приведены реальные примеры ньютоновских и неньютоновских жидкостей:

Эти примеры показывают, что в реальности существуют как ньютоновские, так и неньютоновские жидкости, и их различия могут оказывать влияние на их использование в промышленности, медицине и других областях.