Первые научные работы о характеристиках неньютоновских жидкостей появились еще в 50-х годах прошлого столетия и были непосредственно связаны со стремительным развитием бионики, биомеханики, биогидродинамики и пищевой промышленности. Широкое применение нанопорошковых и полимерных присадок в целом ряде сложных задач гидродинамики на сегодняшний день вновь вызвало небывалый интерес к неньютоновским жидкостям.
Рисунок 1. Примеры неньютоновской жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Самым известным и распространенным примером указанных элементов являются зыбучие пески. Зыбучие пески крайне опасны тем, что они способны засасывать в себя абсолютно все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь сразу тонуть в нем, однако если же быстро и сильно ударить по зыбучему песку, то он на мгновенье затвердеет.
Свойства неньютоновских жидкостей исследует наука реология, методы и принципы которой направлены на изучение деформационных положений реальных тел и нюансов текучести физического вещества.
Реология также рассматривает действующие на материальное тело механические напряжения и вызываемые в результате этого эффекта деформации.
Термин "реология" ввёл выдающийся американский физик-теоретик Юджин Бингам. Официально данное определение было учреждено на 3-м симпозиуме по пластичности на территории США в 1929 году, однако отдельные положения реологии устанавливались задолго до этого.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Если в движущихся частицах их вязкость зависит только от природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие элементы в физике называют ньютоновскими.
Реальные жидкости на практике могут быть неньютоновскими и ньютоновскими.
В ньютоновских веществах при движении одного потока жидкости относительно другого показатель касательного внутреннего напряжения пропорционален скорости сдвига.
При относительном и стабильном покое эти напряжения всегда равны нулю. Такая закономерность была впервые установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти объекты (масло, вода, бензин, глицерин, керосин и др.) носят названия ньютоновские. Указанные жидкости не оснащены большой подвижностью и отличаются от неньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений в состоянии покоя.
Ньютоновскими считаются достаточно большая часть жидкостей, с которыми ученые привыкли иметь дело: водные растворы, вода, нефтепродукты, ацетон и так далее.
При ламинарном незапланированном течении элементы между двумя плоскопараллельными пластинкам осуществляют работу с постоянной скоростью v под воздействием силы F, а нижняя линия остается неподвижной. В основном слои жидкости перемещаются с различными скоростями - от максимальной у самой верхней пластинки до абсолютного нуля у нижней.
Течение ньютоновских жидкостей полностью подчиняется уравнению Ньютона-Петрова, то есть касательное и внутреннее напряжение, а также градиент плотности линейно зависимы, а параметр пропорциональности η между указанными величинами выступает в качестве связующего звена.
Неньютоновские жидкости не поддаются принципам и законам обычных жидкостей. Эти вещества меняют собственную плотность и вязкость при влиянии на них физической силой, причем не только механическим действием, но и даже звуковыми нестабильными волнами.
Если воздействовать на неньютоновскую жидкость только механическими усилиями, возможно получить совершенно иной эффект:
- исследуемый объект начинает принимать характеристики твердых тел и вести себя как физическое вещество;
- связь между молекулами жидкости будет автоматически усиливаться с ростом силы влияния на нее;
- вязкость неньютоновских жидкостей возрастет при уменьшении скорости тока самой жидкости.
Например, водный раствор крахмала при разных ситуациях ведет себя по-разному в зависимости от внешнего воздействия.
Классификация неньютоновских жидкостей
Известные классификации неньютоновских жидкостей изначально построены на эмпирических формулах, которые связывают скорость деформации и вязкость. По этим уравнениям исследователи выстраивают кривые течения жидкостей.
Согласно методам Ньютона-Петрова, график зависимости внутреннего напряжения от градиента начальной скорости представляет собой прямую линию, которая выходит из начала координат. Наклон данной прямой прямо пропорционален плотности ньютоновской жидкости. Неньютоновскими, или аномальными, называют такие жидкости, течение которых не может подчиняться закону Ньютона, для них все касательные напряжения обозначаются более сложными зависимостями, чем формулы Ньютона-Петрова.
Таких, аномальных с точки зрения современной гидравлики, жидкостей крайне немало.
Они широко применяются в химической нефтяной, перерабатывающей и других сферах промышленности.
Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы:
- неньютоновские вязкоупругие жидкости;
- неньютоновские нестабильные жидкости;
- неньютоновские вязкие жидкости.
К первой группе ученые относят только вязкие (или стационарные) жидкости, характеристики которых находятся вне зависимости времени. По виду таких кривых выделяют следующие жидкости этой подгруппы: псевдопластичные, бингамовские и дилатантные.
Ко второй группе жидкостей принято относить неньютоновские жидкие вещества, свойства которых зависят от времени. Эти жидкости на данный момент подразделяют на тиксотропные и реопектические.
К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелловские элементы. Кажущаяся вязкость этих веществ уменьшается под влиянием напряжений, после снятия которых объекты частично восстанавливают начальную форму. К этому типу жидкостей возможно причислить некоторые пасты и смолы тестообразной консистенции
Применение неньютоновских жидкостей
На сегодняшний день неньютоновсские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека рассмотрим некоторые из них:
- В военном масштабном производстве. В США на базе данных жидкостей, министерство обороны запустило производство универсальных бронежилетов для военных. Эти приспособления по своим характеристикам значительно лучше обычных, так как легче по весу и намного проще в изготовлении. Материал, из которого состоят эти бронежилеты, называется $d3o$. Данное сырье относят к дилатантным ньютоновским жидкостям.
- В автомобильной промышленности. Также неньютоновские жидкости применяются в автомобильной промышленности. Дизельные и моторные масла синтетического производства на основе изучаемых объектов постепенно уменьшают начальную вязкость в несколько десятков раз, при внезапном повышении оборотов двигателя, позволяя при этом в значительной степени уменьшить трение в моторе. Неньютоновские жидкости используют в новейших технологиях для осуществления качественной амортизации некоторых элементов механических машин. Реологические эксперименты позволяют решать сложные гидродинамические задачи.
- В нефтепромышленности. Практический и особый интерес представляет также активное использование специфических реологических методов. Так, небольшие полимерные добавки к нефтепродуктам и воде оснащают жидкость новыми реологическими свойствами, благодаря чему мгновенно снижается гидравлическое сопротивление при стремительном турбулентном течении. Неньютоновские жидкости обладают рядом уникальных особенностей, благодаря которым снижение силы трения происходит быстро и легко.
- В пожаротушении и мореплавание. В 50-е годы американские спасатели начали добавлять новые полимерные добавки в жидкость, которая вытекала из брандспойта, при этом длина струи возрастала в полтора раза. Можно также увеличить скорость судна посредством впрыскивания возле его носовой части малых количеств ньютоновского раствора. Имеется теория, что дельфины и другие обитатели океанов тоже «применяют» данный эффект для уменьшения нежелательного гидродинамического сопротивления.
- В косметологии. Чтобы косметика смогла в течение длительного времени держаться на коже, ее необходимо сделать вязкой, будь это блеск для губ или жидкий тональный крем. В массовом производстве косметики часто используют специальные вещества, которые называются модификаторами итоговой вязкости. В домашней косметике для аналогичных целей применяют разные масла и воск.
