Неньютоновская жидкость

Неньютоновская жидкость — это жидкость, течение которой не подчиняется закону вязкости Ньютона, то есть её вязкость зависит от градиента скорости (скорости сдвига) или от времени действия приложенной силы. В отличие от ньютоновских жидкостей (вода, масло, глицерин), у которых вязкость постоянна при заданных температуре и давлении, у неньютоновских жидкостей она может изменяться в широких пределах, что приводит к необычным реологическим свойствам, таким как загустевание при ударе или разжижение при перемешивании.

Классификация

Неньютоновские жидкости классифицируются по характеру зависимости вязкости от скорости сдвига и времени. Основные типы:

По зависимости от скорости сдвига

• Псевдопластические жидкости (сдвиговое разжижение). Вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига. Примеры: кровь, краски, кетчуп, полимерные растворы. При быстром перемешивании они становятся более текучими.
• Дилатантные жидкости (сдвиговое загустевание). Вязкость увеличивается с увеличением скорости сдвига. Примеры: суспензия крахмала в воде (так называемый «умный пластилин»), некоторые виды песка и жидкой брони. При резком воздействии они ведут себя как твёрдое тело, а в спокойном состоянии — как жидкость.
• Бингамовские жидкости (пластичные). Для начала течения требуется преодолеть определённое пороговое напряжение сдвига (предел текучести). После превышения предела они ведут себя как ньютоновские жидкости. Примеры: зубная паста, глина, шоколадная масса, суспензии.

По зависимости от времени

• Тиксотропные жидкости. Вязкость уменьшается со временем при постоянной скорости сдвига. После прекращения воздействия вязкость постепенно восстанавливается. Примеры: некоторые краски, буровые растворы, гель для волос.
• Реопектические жидкости. Вязкость увеличивается со временем при постоянной скорости сдвига. Встречаются реже тиксотропных. Примеры: некоторые гипсовые пасты, суспензии бентонита.

Вязкоупругие жидкости

Обладают одновременно свойствами жидкости и упругого твёрдого тела. После снятия нагрузки они могут частично восстанавливать свою форму. Примеры: полимерные расплавы, растворы полиакриламида, яичный белок. Для них характерны такие эффекты, как «эффект Вайсенберга» (всползание по вращающемуся стержню) и «эффект открытой сифонной струи» (самопроизвольное втягивание жидкости в трубку).

Физические основы

Основное отличие неньютоновских жидкостей от ньютоновских заключается в структуре. В ньютоновских жидкостях молекулы или частицы движутся независимо, и внутреннее трение определяется только их тепловым движением. В неньютоновских жидкостях присутствуют сложные структурные элементы — длинные молекулы полимеров, коллоидные частицы, взвешенные твёрдые частицы, которые могут образовывать временные связи, агрегаты или ориентироваться под действием сдвига.

При малых скоростях сдвига эти структуры могут быть разрушены или, наоборот, упрочнены, что и приводит к изменению вязкости. Например, в дилатантной суспензии крахмала частицы плотно упакованы в покое, но при быстром сдвиге они «заклинивают» друг друга, образуя жёсткую сетку, что резко повышает вязкость. В псевдопластических жидкостях длинные полимерные цепи распутываются и выстраиваются вдоль потока, уменьшая сопротивление.

Примеры и применение

В быту и пищевой промышленности

• Кетчуп и горчица. Являются псевдопластическими жидкостями. При встряхивании бутылки вязкость падает, и кетчуп легко вытекает. В спокойном состоянии он остаётся густым.
• Зубная паста. Бингамовская жидкость. Она не вытекает из тюбика самопроизвольно, но выдавливается при приложении усилия.
• Сметана и йогурт. Обладают тиксотропными свойствами: при перемешивании становятся более жидкими, а после отдыха густеют.
• Мёд. Вязкость мёда сильно зависит от температуры и содержания воды, но при определённых условиях он может проявлять неньютоновские свойства, особенно при наличии кристаллов.

В технике и промышленности

• Буровые растворы. Используются для бурения скважин. Они должны быть достаточно вязкими, чтобы удерживать выбуренную породу во взвешенном состоянии, но при этом легко прокачиваться насосами. Тиксотропные свойства растворов позволяют им застывать при остановке циркуляции и разжижаться при возобновлении.
• Краски и лаки. Псевдопластичность позволяет краске легко наноситься кистью или валиком, но не капать с вертикальной поверхности. После нанесения вязкость восстанавливается, предотвращая образование потёков.
• Смазочные материалы. Некоторые смазки обладают тиксотропными свойствами, что обеспечивает их удержание в узлах трения и лёгкое поступление к трущимся поверхностям при движении.
• Жидкая броня. Разрабатываются на основе дилатантных жидкостей (например, суспензий наночастиц диоксида кремния в полиэтиленгликоле). При ударе пули или осколка вязкость резко возрастает, и материал ведёт себя как твёрдое тело, поглощая энергию удара. В обычном состоянии броня остаётся гибкой и лёгкой.

В биологии и медицине

• Кровь. Является псевдопластической жидкостью. Вязкость крови уменьшается в мелких капиллярах (эффект Фареуса — Линдквиста), что облегчает её течение. Эритроциты способны деформироваться и образовывать агрегаты, влияя на реологию.
• Слизь. Обладает сложными вязкоупругими и тиксотропными свойствами, что позволяет ей выполнять защитные и смазывающие функции в организме.
• Синовиальная жидкость. Вязкоупругая жидкость, заполняющая полость суставов. Её свойства обеспечивают амортизацию и снижение трения между костями.

Интересные факты

• Эффект «умного пластилина». Если из суспензии крахмала в воде скатать шарик, он будет казаться твёрдым и упругим, но если его оставить в покое, он растечётся в лужицу. Это наглядная демонстрация дилатантных свойств.
• Эффект Вайсенберга. При вращении стержня в вязкоупругой жидкости (например, растворе полимера) жидкость не отбрасывается к стенкам сосуда, а наоборот, поднимается вверх по стержню, что противоречит поведению ньютоновских жидкостей.
• Эффект «открытой сифонной струи». Вязкоупругая жидкость может продолжать вытекать из сосуда через трубку даже после того, как уровень жидкости в сосуде опустился ниже конца трубки, поднимаясь вверх по стенке сосуда.
• Неньютоновские жидкости в природе. Зыбучие пески и плывуны часто являются дилатантными или тиксотропными системами. Человек, попавший в зыбучий песок, может утонуть, если будет активно двигаться, так как вязкость песка при этом возрастает, а при медленных движениях он ведёт себя как жидкость.

Источники

• Уилкинсон, У. Л. Неньютоновские жидкости. — М.: Мир, 1964.
• Астарита, Дж., Марруччи, Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей. — М.: Мир, 1978.
• Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Дрофа, 2003.
• Реология: теория и приложения / Под ред. Ф. Р. Эйриха. — М.: Издательство иностранной литературы, 1962.
• Шрамм, Г. Основы практической реологии и реометрии. — М.: КолосС, 2003.