Neņūtona šķidrumi

Neņūtona šķidrumi ir šķidrumi, kuru viskozitāte mainās atkarībā no šķidruma stāvokļa un kustības rakstura. Daudzi nesaspiežami šķidrumi, tostarp tādi pārtikas produkti kā majonēze, zemesriekstu sviests, kečups, kā arī daži industriālie materiāli, piemēram, šķidra plastmasa, asfalts, betons ir neņūtoniski šķidrumi. Bioloģiskie šķidrumi, tostarp asinis un gļotas, ir gandrīz universāli neņūtoniski.^[1] Tie ir šķidrumi, kuri neatbilst Ņūtona šķidruma modelim, tas ir, īstajiem šķidrumiem $\mu$ (dinamiskā viskozitāte) ir pastāvīgs lielums (fizikāla konstante), un kuru elementārdaļiņu lielums mazāks par 1×10^-8 m. Neņūtona šķidrumus raksturo Bingema vienādojums, kas ir šāds:

\tau =\tau _{0} \mu _{d}{\frac {du}{dh}}

kur $\tau >0$ — sākuma bīdes pretestība; $\tau$ — tangenciālais spriegums; $\mu _{d}$ — mainīgā lieluma dinamiskā viskozitāte, kas atkarīga no šķidruma plūsmas veida; ${\frac {du}{dh}}$ — ātruma gradients.

Šie šķidrumi parasti ir ar augstu viskozitāti un to elastīgās īpašības arī ir ar nozīmīgumu. To elementārdaļiņu lielums svārstās no 1×10⁻⁶ m līdz 1×10^-8 m. Neņūtonu šķidrumu teorija ir daļa no reoloģijas — zinātnes, kas pēta plūsmu un deformāciju. Plūsmas modeļi var tikt klasificēti 3 pamatgrupās:

no laika neatkarīgi šķidrumi;
no laika atkarīgi šķidrumi;
viskoelastīgi šķidrumi.

No laika neatkarīgi šķidrumi

No laika neatkarīgus šķidrumus var iedalīt vēl trīs apakšgrupās.^[2]

Slapjas pludmales smiltis un citi ūdens šķīdumi, kas satur augstu pulvera koncentrāciju, ir piemērs dilatantiem šķidrumiem. Šiem šķidrumiem piemīt viskozitātes palielinājums, palielinot bīdes spriegumu.

Smērvielas, majonēze un cietes suspensijas ir piemēri pseidoplastiskiem jeb bīdes vājinošiem šķidrumiem. Šiem šķidrumiem piemīt tendence viskozitātei samazināties, palielinot bīdes spriegumu.

Šokolādes maisījumi, urbšanas šķidrumi, smēres, krāsas, papīra masas, ziepes, zobu pasta, notekūdeņu dūņas ir piemēri Bingema plastmasas šķidrumiem. Šie šķidrumi uzvedas kā cietas vielas, līdz sākotnējā tecēšanas robeža $\tau _{0}$ ir pārsniegta. Pārsniedzot $\tau _{0}$ , Bingema plastmasas uzvedas kā Ņūtona šķidrumi.^[3]

No laika atkarīgi šķidrumi

Histerēzes cilpas veidošanās tiksotropiskiem šķidrumiem

No laika atkarīgus šķidrumus ir ļoti grūti modelēt. To uzvedība ir tāda, ka pie konstanta bīdes ātruma un pie konstantas temperatūras bīdes spriegums $\tau$ vai nu paaugstinās vai samazinās monotoni attiecībā pret laiku ceļā uz asimptotiskām vērtībām.

Arī šī grupa dalās divās apakšgrupās: tiksotropi šķidrumi — pie konstanta bīdes ātruma bīdes spriegums samazinās monotoni — un antitiksotropie šķidrumi — pie konstanta bīdes ātruma bīdes spriegums palielinās monotoni.

Šiem šķidrumiem ir vēl viena fascinējoša iezīme. Kad tiksotrops šķidrums ir pakļauts bīdes ātruma izmaiņām, kur sākumā du/dh=0, tad kādai du/dh vērtībai un pēc tam atpakaļ du/dh=0, tad grafikā ar bīdes spriegumu $\tau$ kā funkciju atkarīgu no du/dh parādās histerēzes cilpa. Pēc atkārtotām bīdes ātruma izmaiņām histerēzes cilpas kļūst mazāk stāvas un plānākas, un tuvojas grafikam $\tau _{0}{\frac {du}{dh}}$ (skatīt attēlu). Piemēri tiksotropiem šķidrumiem ir: urbšanas šķidrumi, smērvielas, tipogrāfijas krāsas, margarīns un daži polimēri kūstot. Dažām krāsām piemīt gan viskoplastiska, gan tiksotropiska reakcija. Tām ir gela konsekvence un tās kļūst sašķidrinātas maisot, bet tās atgūst savu gela konsekvenci pēc kāda laika miera stāvoklī. Arī antitiksotropos šķidrumos var vērot histerēzes cilpas, kad šķidrumi ir pakļauti bīdes ātruma izmaiņām. Salīdzinoši maz īsti šķidrumi ir antitiksotropiski. Viens no piemēriem ir ģipša masa.

Viskoelastīgi šķidrumi

Viskoelastīgiem šķidrumiem un materiāliem piemīt gan viskozas, gan elastīgas īpašības. Šādi šķidrumi ir asfalts, neilons, miltu mīklas. Vienmērīgā plūsmā, tas ir, plūsmā, kura ir laikā nemainīga, bīdes ātrums ir konstants un kur $\mu$ ir kā konstants dinamiskās viskozitātes koeficients kā Ņūtona šķidrumos. Elastība kļūst redzama, kad bīdes spriegums tiek mainīts.^[4] Šiem šķidrumiem ir atmiņa par pagātnes ātrumu, ātruma gradientu, un formām. Tie daļēji atjaunojas elastīgi no deformācijām, kas radušās plūsmas laikā, kad ārējs spriegums tiek noņemts.

Literatūra

V.Dirba, J. Uiska, V.Zars. Hidraulika un hidrauliskās mašīnas. Rīga : Zvaigzne, 1980. 22. lpp.
Feits A. Morrisons. An Introduction to Fluid Mechanics". Ņujorka : Cambridge University Press, 2013. 393. lpp.
Fridjovs Irgens. Rheology and Non-Newtonian Fluids. Londona : Springer, 2014. 8. lpp.
B. R. Munsons, "D. F. Jangs u.c., Fundamentals of Fluid Mechanics", Āzija "John Wiley & Sons" 2010, 9. lpp.
Bernads Maseijs, "Mechanics of Fluids — Seventh Edition", Londona “Stanley Thornes” 1988, 29. lpp.

Atsauces

↑ Feits A. Morrisons. An Introduction to Fluid Mechanics. New York : Cambridge University Press, 2013. 393. lpp. ISBN 978-1-107-00353-8.
↑ Fridjovs Irgens. Rheology and Non-Newtonian Fluids. London : Springer, 2014. 8. lpp. ISBN 978-3-319-01053-3.
↑ Bruce R. Munsons. Fundamentals of Fluid Mechanics. Asia : John Wiley & Sons, 2010. 9. lpp. ISBN 978-0-470-39881-4.
↑ Bernads Maseijs. Mechanics of Fluids (Sevent izd.). London : Stanley Thornes, 1988. 29. lpp. ISBN 0-7487-4043-0.

[1] Feits A. Morrisons. An Introduction to Fluid Mechanics. New York : Cambridge University Press, 2013. 393. lpp. ISBN 978-1-107-00353-8.

[2] Fridjovs Irgens. Rheology and Non-Newtonian Fluids. London : Springer, 2014. 8. lpp. ISBN 978-3-319-01053-3.

[3] Bruce R. Munsons. Fundamentals of Fluid Mechanics. Asia : John Wiley & Sons, 2010. 9. lpp. ISBN 978-0-470-39881-4.

[4] Bernads Maseijs. Mechanics of Fluids (Sevent izd.). London : Stanley Thornes, 1988. 29. lpp. ISBN 0-7487-4043-0.

[1]

[2]

[3]

[4]