Как пишется ньютоновская жидкость

From Wikipedia, the free encyclopedia

A Newtonian fluid is a fluid in which the viscous stresses arising from its flow are at every point linearly correlated to the local strain rate — the rate of change of its deformation over time.[1][2][3][4] Stresses are proportional to the rate of change of the fluid’s velocity vector.

A fluid is Newtonian only if the tensors that describe the viscous stress and the strain rate are related by a constant viscosity tensor that does not depend on the stress state and velocity of the flow. If the fluid is also isotropic (mechanical properties are the same along any direction), the viscosity tensor reduces to two real coefficients, describing the fluid’s resistance to continuous shear deformation and continuous compression or expansion, respectively.

Newtonian fluids are the simplest mathematical models of fluids that account for viscosity. While no real fluid fits the definition perfectly, many common liquids and gases, such as water and air, can be assumed to be Newtonian for practical calculations under ordinary conditions. However, non-Newtonian fluids are relatively common and include oobleck (which becomes stiffer when vigorously sheared) and non-drip paint (which becomes thinner when sheared). Other examples include many polymer solutions (which exhibit the Weissenberg effect), molten polymers, many solid suspensions, blood, and most highly viscous fluids.

Newtonian fluids are named after Isaac Newton, who first used the differential equation to postulate the relation between the shear strain rate and shear stress for such fluids.

Definition[edit]

An element of a flowing liquid or gas will suffer forces from the surrounding fluid, including viscous stress forces that cause it to gradually deform over time. These forces can be mathematically first order approximated by a viscous stress tensor, usually denoted by tau .

The deformation of a fluid element, relative to some previous state, can be first order approximated by a strain tensor that changes with time. The time derivative of that tensor is the strain rate tensor, that expresses how the element’s deformation is changing with time; and is also the gradient of the velocity vector field v at that point, often denoted nabla v.

The tensors tau and nabla v can be expressed by 3×3 matrices, relative to any chosen coordinate system. The fluid is said to be Newtonian if these matrices are related by the equation
{displaystyle {boldsymbol {tau }}={boldsymbol {mu }}(nabla v)}
where mu is a fixed 3×3×3×3 fourth order tensor that does not depend on the velocity or stress state of the fluid.

Incompressible isotropic case[edit]

For an incompressible and isotropic Newtonian fluid the viscous stress is related to the strain rate by the simple equation

{displaystyle tau =mu {frac {du}{dy}}}

where

If the fluid is incompressible and viscosity is constant across the fluid, this equation can be written in terms of an arbitrary coordinate system as

{displaystyle tau _{ij}=mu left({frac {partial v_{i}}{partial x_{j}}}+{frac {partial v_{j}}{partial x_{i}}}right)}

where

One also defines a total stress tensor {boldsymbol {sigma }}, that combines the shear stress with conventional (thermodynamic) pressure p. The stress-shear equation then becomes

{displaystyle {boldsymbol {sigma }}_{ij}=-pdelta _{ij}+mu left({frac {partial v_{i}}{partial x_{j}}}+{frac {partial v_{j}}{partial x_{i}}}right)}

or written in more compact tensor notation

{displaystyle {boldsymbol {sigma }}=-pmathbf {I} +mu left(nabla mathbf {v} +nabla mathbf {v} ^{T}right)}

where mathbf {I} is the identity tensor.

For anisotropic fluids[edit]

More generally, in a non-isotropic Newtonian fluid, the coefficient mu that relates internal friction stresses to the spatial derivatives of the velocity field is replaced by a nine-element viscous stress tensor mu _{ij}.

There is general formula for friction force in a liquid: The vector differential of friction force is equal the viscosity tensor increased on vector product differential of the area vector of adjoining a liquid layers and rotor of velocity:

{displaystyle dmathbf {F} =mu _{ij},dmathbf {S} times mathrm {rot} ,mathbf {u} }

where mu _{{ij}} is the viscosity tensor. The diagonal components of viscosity tensor is molecular viscosity of a liquid, and not diagonal components – turbulence eddy viscosity.[5]

Newtonian law of viscosity[edit]

The following equation illustrates the relation between shear rate and shear stress:

{displaystyle tau =mu {frac {mathrm {d} u}{mathrm {d} y}},}

where:

If viscosity is constant, the fluid is Newtonian.

Power law model[edit]

In blue a Newtonian fluid compared to the dilatant and the pseudoplastic, angle depends on the viscosity.

The power law model is used to display the behavior of Newtonian and non-Newtonian fluids and measures shear stress as a function of strain rate.

The relationship between shear stress, strain rate and the velocity gradient for the power law model are:

{displaystyle tau =-mleft|{dot {gamma }}right|^{n-1}{frac {dv_{x}}{dy}},}

where

If

  • n < 1 then the fluid is a pseudoplastic.
  • n = 1 then the fluid is a Newtonian fluid.
  • n > 1 then the fluid is a dilatant.

Fluid model[edit]

The relationship between the shear stress and shear rate in a casson fluid model is defined as follows:

{displaystyle {sqrt {tau }}={sqrt {tau _{0}}}+S{sqrt {dV over dy}}}

where τ0 is the yield stress and

{displaystyle S={sqrt {frac {mu }{(1-H)^{alpha }}}},}

where α depends on protein composition and H is the Hematocrit number.

Examples[edit]

Water, air, alcohol, glycerol, and thin motor oil are all examples of Newtonian fluids over the range of shear stresses and shear rates encountered in everyday life. Single-phase fluids made up of small molecules are generally (although not exclusively) Newtonian.

See also[edit]

  • Fluid mechanics
  • Non-Newtonian fluid

References[edit]

  1. ^ Panton, Ronald L. (2013). Incompressible Flow (Fourth ed.). Hoboken: John Wiley & Sons. p. 114. ISBN 978-1-118-01343-4.
  2. ^ Batchelor, G. K. (2000) [1967]. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge Mathematical Library series, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66396-0.
  3. ^ Kundu, P.; Cohen, I. Fluid Mechanics. p. (page needed).
  4. ^ Kirby, B. J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0 – via kirbyresearch.com.
  5. ^ Volobuev, A. N. (2012). Basis of Nonsymmetrical Hydromechanics. New York: Nova Science Publishers, Inc. ISBN 978-1-61942-696-2.

From Wikipedia, the free encyclopedia

A Newtonian fluid is a fluid in which the viscous stresses arising from its flow are at every point linearly correlated to the local strain rate — the rate of change of its deformation over time.[1][2][3][4] Stresses are proportional to the rate of change of the fluid’s velocity vector.

A fluid is Newtonian only if the tensors that describe the viscous stress and the strain rate are related by a constant viscosity tensor that does not depend on the stress state and velocity of the flow. If the fluid is also isotropic (mechanical properties are the same along any direction), the viscosity tensor reduces to two real coefficients, describing the fluid’s resistance to continuous shear deformation and continuous compression or expansion, respectively.

Newtonian fluids are the simplest mathematical models of fluids that account for viscosity. While no real fluid fits the definition perfectly, many common liquids and gases, such as water and air, can be assumed to be Newtonian for practical calculations under ordinary conditions. However, non-Newtonian fluids are relatively common and include oobleck (which becomes stiffer when vigorously sheared) and non-drip paint (which becomes thinner when sheared). Other examples include many polymer solutions (which exhibit the Weissenberg effect), molten polymers, many solid suspensions, blood, and most highly viscous fluids.

Newtonian fluids are named after Isaac Newton, who first used the differential equation to postulate the relation between the shear strain rate and shear stress for such fluids.

Definition[edit]

An element of a flowing liquid or gas will suffer forces from the surrounding fluid, including viscous stress forces that cause it to gradually deform over time. These forces can be mathematically first order approximated by a viscous stress tensor, usually denoted by tau .

The deformation of a fluid element, relative to some previous state, can be first order approximated by a strain tensor that changes with time. The time derivative of that tensor is the strain rate tensor, that expresses how the element’s deformation is changing with time; and is also the gradient of the velocity vector field v at that point, often denoted nabla v.

The tensors tau and nabla v can be expressed by 3×3 matrices, relative to any chosen coordinate system. The fluid is said to be Newtonian if these matrices are related by the equation
{displaystyle {boldsymbol {tau }}={boldsymbol {mu }}(nabla v)}
where mu is a fixed 3×3×3×3 fourth order tensor that does not depend on the velocity or stress state of the fluid.

Incompressible isotropic case[edit]

For an incompressible and isotropic Newtonian fluid the viscous stress is related to the strain rate by the simple equation

{displaystyle tau =mu {frac {du}{dy}}}

where

If the fluid is incompressible and viscosity is constant across the fluid, this equation can be written in terms of an arbitrary coordinate system as

{displaystyle tau _{ij}=mu left({frac {partial v_{i}}{partial x_{j}}}+{frac {partial v_{j}}{partial x_{i}}}right)}

where

One also defines a total stress tensor {boldsymbol {sigma }}, that combines the shear stress with conventional (thermodynamic) pressure p. The stress-shear equation then becomes

{displaystyle {boldsymbol {sigma }}_{ij}=-pdelta _{ij}+mu left({frac {partial v_{i}}{partial x_{j}}}+{frac {partial v_{j}}{partial x_{i}}}right)}

or written in more compact tensor notation

{displaystyle {boldsymbol {sigma }}=-pmathbf {I} +mu left(nabla mathbf {v} +nabla mathbf {v} ^{T}right)}

where mathbf {I} is the identity tensor.

For anisotropic fluids[edit]

More generally, in a non-isotropic Newtonian fluid, the coefficient mu that relates internal friction stresses to the spatial derivatives of the velocity field is replaced by a nine-element viscous stress tensor mu _{ij}.

There is general formula for friction force in a liquid: The vector differential of friction force is equal the viscosity tensor increased on vector product differential of the area vector of adjoining a liquid layers and rotor of velocity:

{displaystyle dmathbf {F} =mu _{ij},dmathbf {S} times mathrm {rot} ,mathbf {u} }

where mu _{{ij}} is the viscosity tensor. The diagonal components of viscosity tensor is molecular viscosity of a liquid, and not diagonal components – turbulence eddy viscosity.[5]

Newtonian law of viscosity[edit]

The following equation illustrates the relation between shear rate and shear stress:

{displaystyle tau =mu {frac {mathrm {d} u}{mathrm {d} y}},}

where:

If viscosity is constant, the fluid is Newtonian.

Power law model[edit]

In blue a Newtonian fluid compared to the dilatant and the pseudoplastic, angle depends on the viscosity.

The power law model is used to display the behavior of Newtonian and non-Newtonian fluids and measures shear stress as a function of strain rate.

The relationship between shear stress, strain rate and the velocity gradient for the power law model are:

{displaystyle tau =-mleft|{dot {gamma }}right|^{n-1}{frac {dv_{x}}{dy}},}

where

If

  • n < 1 then the fluid is a pseudoplastic.
  • n = 1 then the fluid is a Newtonian fluid.
  • n > 1 then the fluid is a dilatant.

Fluid model[edit]

The relationship between the shear stress and shear rate in a casson fluid model is defined as follows:

{displaystyle {sqrt {tau }}={sqrt {tau _{0}}}+S{sqrt {dV over dy}}}

where τ0 is the yield stress and

{displaystyle S={sqrt {frac {mu }{(1-H)^{alpha }}}},}

where α depends on protein composition and H is the Hematocrit number.

Examples[edit]

Water, air, alcohol, glycerol, and thin motor oil are all examples of Newtonian fluids over the range of shear stresses and shear rates encountered in everyday life. Single-phase fluids made up of small molecules are generally (although not exclusively) Newtonian.

See also[edit]

  • Fluid mechanics
  • Non-Newtonian fluid

References[edit]

  1. ^ Panton, Ronald L. (2013). Incompressible Flow (Fourth ed.). Hoboken: John Wiley & Sons. p. 114. ISBN 978-1-118-01343-4.
  2. ^ Batchelor, G. K. (2000) [1967]. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge Mathematical Library series, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66396-0.
  3. ^ Kundu, P.; Cohen, I. Fluid Mechanics. p. (page needed).
  4. ^ Kirby, B. J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0 – via kirbyresearch.com.
  5. ^ Volobuev, A. N. (2012). Basis of Nonsymmetrical Hydromechanics. New York: Nova Science Publishers, Inc. ISBN 978-1-61942-696-2.

НЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ

НЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ
НЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ

       

(вязкая жидкость), жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона (1684). Для прямолинейного ламинарного течения этот закон устанавливает наличие линейной зависимости (прямой пропорциональности) между касательным напряжением t в плоскостях соприкосновения слоев жидкости и производной от скорости течения v по направлению нормали n к этим плоскостям, т. е.

t=mdv/dn,

где m— динамич. коэфф. вязкости. В общем случае пространств. течения для Н. ж. имеет место линейная зависимость между тензорами напряжений и скоростей деформации. Св-вами Н. ж. обладают большинство жидкостей (вода, смазочное масло и др.) и все газы. Течение Н. ж. изучается в гидроаэромеханике. Жидкости, для к-рых указанные выше зависимости не явл. линейными, наз. н е н ь ю т о н о в с к и м и. К ним относится, напр., ряд суспензий и р-ров полимеров. Течение неньютоновских жидкостей изучается в реологии.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.
.
1983.

.

Полезное

Смотреть что такое «НЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ» в других словарях:

  • ньютоновская жидкость — ньютоновская жидкость; линейно вязкая жидкость Вязкая жидкость, тензор напряжений которой есть линейная функция тензора скоростей деформации …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • Ньютоновская жидкость —     Механика сплошных сред …   Википедия

  • Ньютоновская жидкость —  Newtonian Fluid  Ньютоновская жидкость   Жидкость или дисперсия, реологическое поведение которой описывается законом вязкости Ньютона …   Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.

  • Ньютоновская жидкость — 3.16. Ньютоновская жидкость жидкость, вязкость которой не зависит от касательного напряжения и градиента скорости (ГОСТ 33). Источник: НПБ 304 2001: Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ньютоновская жидкость — niutoninis skystis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skystis, kurio klampa nepriklauso nuo greičio gradiento, tačiau priklauso nuo temperatūros ir slėgio. atitikmenys: angl. Newtonian fluid; Newtonian liquid; Newtonian… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • ньютоновская жидкость — niutoninis skystis statusas T sritis chemija apibrėžtis Skystis, kurio klampa nepriklauso nuo šlyties įtempio, o priklauso tik nuo temperatūros ir slėgio. atitikmenys: angl. Newtonian fluid rus. ньютоновская жидкость …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • ньютоновская жидкость — niutoninis skystis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Newtonian fluid; Newtonian liquid vok. Newtonsche Flüssigkeit, f rus. ньютоновская жидкость, f pranc. fluide newtonien, m; liquide newtonien, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Ньютоновская жидкость —         вязкая жидкость, жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона. Для прямолинейного ламинарного (слоистого) течения этот закон устанавливает наличие линейной зависимости (прямой пропорциональности) между… …   Большая советская энциклопедия

  • Жидкость —     Механика сплошных сред …   Википедия

  • линейно-вязкая жидкость — ньютоновская жидкость; линейно вязкая жидкость Вязкая жидкость, тензор напряжений которой есть линейная функция тензора скоростей деформации …   Политехнический терминологический толковый словарь

Ключевое различие между Ньютоновской и Неньютоновской жидкостью заключается в том, что Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, тогда как Неньютоновские жидкости имеют переменную вязкость.

Все жидкости можно разделить на ньютоновские, и неньютоновские в зависимости от вязкости жидкости. Вязкость — это состояние густоты и вязкости из-за внутреннего трения жидкости. Кроме того, необходимо учитывать другие параметры при определении, является ли жидкость Ньютоновской или Неньютоновской. Такими параметрами является напряжение сдвига и скорость сдвига. Напряжение сдвига — это напряжение, приложенное в одной плоскости к поперечному сечению жидкости, тогда как скорость сдвига — это скорость изменения скорости, при которой один слой жидкости проходит над соседним слоем.

Содержание

  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое Ньютоновская жидкость
  3. Что такое Неньютоновская жидкость
  4. Разница между Ньютоновской и Неньютоновской жидкостью
  5. Заключение

Что такое Ньютоновская жидкость?

Ньютоновская жидкость представляет собой жидкость, имеющую постоянную вязкость и нулевую скорость сдвига при нулевом напряжении сдвига. Это значит что скорость сдвига такой жидкости прямо пропорциональна напряжению сдвига. Другими словами, отношение напряжения сдвига к скорости сдвига является постоянным во всей жидкости.

Характеристики Ньютоновской жидкости
Характеристики Ньютоновской жидкости

Однако большинство известных нам жидкостей имеют переменную вязкость. Обычно реальные жидкости не соответствуют этому определению. Поэтому он рассматривается как простая математическая модель. Но мы можем принять некоторые распространенные жидкости, такие как вода, как ньютоновские жидкости.

Название Ньютоновская жидкость происходит от Исаака Ньютона, который был первым ученым, использовавшим дифференциальное уравнение для постулирования взаимосвязи между напряжением сдвига и скоростью сдвига у жидкостей.

Что такое Неньютоновская жидкость?

Неньютоновские жидкости — это жидкости, которые имеют переменную вязкость и переменную зависимость от напряжения сдвига. Они так называются, так как эти жидкости не следуют закону вязкости Ньютона. Вязкость этих жидкостей может изменяться под действием силы, то есть некоторые жидкости, становятся более жидкими при встряхивании. Большинство известных нам жидкостей — это неньютоновские жидкости. Многие солевые растворы, расплавленные полимеры и многие другие жидкости относятся к этой группе жидкостей в зависимости от вязкости. Яркий пример Неньютоновской жидкости это крахмал разведённый с водой.

Неньютоновская жидкость
Неньютоновская жидкость

Хотя мы используем термин вязкость в механике жидкости для описания сдвиговых свойств жидкости, этот параметр неполностью описывает свойства неньютоновских жидкостей. Существуют различные поведенческие характеристики неньютоновских жидкостей, включая вязкоупругость, зависящую от времени вязкость и другие характеристики.

В чем разница между Ньютоновской и Неньютоновской жидкостью?

Все жидкости классифицируются на два типа в зависимости от вязкости как Ньютоновские жидкости и Неньютоновские жидкости. Основное различие между Ньютоновскими и Неньютоновскими жидкостями заключается в том, что Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, тогда как Неньютоновские жидкости имеют переменную вязкость.

Кроме того, при рассмотрении скорости сдвига и напряжения сдвига в ньютоновских жидкостях наблюдается нулевая скорость сдвига при нулевом напряжении сдвига. Это означает, что скорость сдвига в такой жидкости прямо пропорциональна напряжению сдвига. Однако Неньютоновские жидкости имеют переменную связь между скоростью сдвига и напряжением сдвига. Хотя большинство известных нам жидкостей являются Неньютоновскими жидкостями, вода считается Ньютоновской жидкостью при нормальных условиях. Однако почти все соли, расплавленный полимерный материал, кровь, зубная паста, краска, кукурузный крахмал и многие другие разновидности жидкостей являются Неньютоновскими жидкостями.

Основная информация — Ньютоновская и Неньютоновская жидкость

Жидкости могут быть классифицированы на два типа в зависимости от вязкости как Ньютоновские жидкости и Неньютоновские жидкости. Ключевое различие между Ньютоновскими и Неньютоновскими жидкостями заключается в том, что Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, тогда как Неньютоновские жидкости имеют переменную вязкость.

Механика сплошных сред
BernoullisLawDerivationDiagram.svg
Сплошная среда

Классическая механика

Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса

Теория упругости

Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоупругость

Гидродинамика

Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение

Основные уравнения

Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнение Громеки — Лэмба · Уравнение Бернулли · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение вихря · Уравнение диффузии · Закон Гука

См. также: Портал:Физика

Нью́то́новская жи́дкость (названная так в честь Исаака Ньютона) — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости в такой жидкости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость[1][2].

Определение

Простое уравнение, описывающее силы вязкости в ньютоновской жидкости, во многом определяющие её поведение, основано на сдвиговом течении:

tau =mu {frac  {partial u}{partial y}},

где:

Это уравнение обычно используют при течении жидкости в одном направлении, когда вектор скорости течения можно считать сонаправленным (параллельным) во всех точках рассматриваемого объёма жидкости.

Из определения, в частности, следует, что ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления (а также от химического состава, если жидкость не является беспримесной), и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода.

Если жидкость несжимаема и вязкость постоянна во всем объёме жидкости, то касательное напряжение в прямоугольной системе координат выражается уравнением:

tau _{{ij}}=mu left({frac  {partial u_{i}}{partial x_{j}}}+{frac  {partial u_{j}}{partial x_{i}}}right)

с сопутствующим тензором напряжения mathbb {P} (также часто обозначается mathbf {sigma } ):

{mathbb  {P}}_{{ij}}=-pdelta _{{ij}}+mu left({frac  {partial u_{i}}{partial x_{j}}}+{frac  {partial u_{j}}{partial x_{i}}}right),

где, согласно традиционным обозначениям тензора:

Если жидкость не подчиняется этим отношениям (вязкость изменяется в зависимости от скорости тока жидкости), то её в противоположность называют неньютоновской жидкостью: растворы полимеров, ряд твердых суспензий и большинство очень вязких жидкостей.

Примечания

  1. «Физическая энциклопедия». В 5 томах. М.: «Советская энциклопедия», 1988
  2. Ньютоновская жидкость — статья из Физической энциклопедии

См. также

  • Неньютоновская жидкость


Эта страница в последний раз была отредактирована 31 января 2022 в 12:42.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.

Ньютоновская жидкость представляет собой жидкость , в которой вязкие напряжениях , возникающая от его потока , в каждой точке, линейно [1] коррелирует с локальной скоростью деформации -The скорости изменения его деформации с течением времени. [2] [3] [4] Это эквивалентно утверждению, что эти силы пропорциональны скорости изменения вектора скорости жидкости при удалении от рассматриваемой точки в различных направлениях.

Точнее, жидкость является ньютоновской, только если тензоры , описывающие вязкое напряжение и скорость деформации, связаны тензором постоянной вязкости , который не зависит от напряженного состояния и скорости потока. Если жидкость также изотропна (то есть ее механические свойства одинаковы в любом направлении), тензор вязкости сводится к двум действительным коэффициентам, описывающим сопротивление жидкости непрерывной деформации сдвига и непрерывному сжатию или расширению соответственно.

Ньютоновские жидкости — это простейшие математические модели жидкостей, учитывающие вязкость. Хотя никакая реальная жидкость полностью не подходит под это определение, многие обычные жидкости и газы, такие как вода и воздух , можно считать ньютоновскими для практических расчетов в обычных условиях. Тем не менее, неньютоновские жидкости относительно распространены и включают в себя облепиху (которая становится более жесткой при сильном сдвиге) или неконтролируемую краску (которая становится тоньше при сдвиге ). Другие примеры включают множество растворов полимеров (которые демонстрируют эффект Вайссенберга ), расплавленные полимеры, множество твердых суспензий, кровь, и большинство высоковязких жидкостей.

Ньютоновские жидкости названы в честь Исаака Ньютона , который первым использовал дифференциальное уравнение, чтобы постулировать связь между скоростью деформации сдвига и напряжением сдвига для таких жидкостей.

Определение

На элемент текущей жидкости или газа будут действовать силы окружающей жидкости, в том числе силы вязкого напряжения, которые заставляют его постепенно деформироваться с течением времени. Эти силы могут быть математически округляются до первого порядка с помощью вязкого тензора напряжений , которые, как правило , обозначенного.

Деформация этого жидкого элемента относительно некоторого предыдущего состояния может быть аппроксимирована в первом порядке тензором деформации, который изменяется со временем. Производная по времени этого тензора является тензором скорости деформации , который выражает, как деформация элемента изменяется со временем; а также градиент векторного поля скорости в этот момент часто обозначается .

Тензоры а также может быть выражена матрицами 3 × 3 относительно любой выбранной системы координат . Жидкость называется ньютоновской, если эти матрицы связаны уравнением

куда
— фиксированный тензор четвертого порядка 3 × 3 × 3 × 3, не зависящий от скорости или напряженного состояния жидкости.

Несжимаемый изотропный корпус

Для несжимаемой и изотропной ньютоновской жидкости вязкое напряжение связано со скоростью деформации более простым уравнением

куда

это напряжение сдвига ( « сопротивление ») в жидкости,
— скалярная константа пропорциональности, сдвиговая вязкость жидкости
производная от составляющей скорости , параллельной направлению сдвига, относительно смещения в перпендикулярном направлении.

Если жидкость несжимаема и вязкость в жидкости постоянна, это уравнение можно записать в терминах произвольной системы координат как

куда

это -я пространственная координата
— скорость жидкости в направлении оси
это -я составляющая напряжения, действующего на грани элемента жидкости, перпендикулярные оси .

Также определяется тензор полного напряжения , который сочетает в себе напряжение сдвига с обычным (термодинамическим) давлением . Тогда уравнение сдвига и напряжения становится

или записать в более компактных тензорных обозначениях

куда — тождественный тензор.

Для анизотропных жидкостей

В более общем смысле, в неизотропной ньютоновской жидкости коэффициент связывающий напряжения внутреннего трения с пространственными производными поля скорости, заменяется девятиэлементным тензором вязких напряжений .

Существует общая формула для силы трения в жидкости: векторный дифференциал силы трения равен тензору вязкости, умноженному на векторный дифференциал произведения вектора площади соприкасающихся слоев жидкости и скорости вращения ротора :

куда тензор вязкости . Диагональные компоненты тензора вязкости — это молекулярная вязкость жидкости, а недиагональные компоненты — турбулентная вихревая вязкость . [5]

Закон вязкости Ньютона

Следующее уравнение иллюстрирует связь между скоростью сдвига и напряжением сдвига:

,

куда:

  • τ — напряжение сдвига;
  • μ — вязкость, а
  • скорость сдвига.

Если вязкость постоянна, жидкость ньютоновская.

Модель степенного закона

В синей ньютоновской жидкости по сравнению с дилатантом и псевдопластикой угол зависит от вязкости.

Модель степенного закона используется для отображения поведения ньютоновских и неньютоновских жидкостей и измерения напряжения сдвига как функции скорости деформации.

Связь между касательным напряжением, скоростью деформации и градиентом скорости для модели степенного закона:

,

куда

  • — абсолютное значение скорости деформации в степени (n-1);
  • — градиент скорости;
  • n — индекс степенного закона.

Если

  • n <1, тогда жидкость является псевдопластической.
  • n = 1, тогда жидкость является ньютоновской.
  • n > 1, то жидкость является дилатантом.

Модель жидкости

Взаимосвязь между напряжением сдвига и скоростью сдвига в модели кассона определяется следующим образом:

где τ 0 — предел текучести, а

,

где α зависит от белкового состава, а Hгематокритное число.

Примеры

Вода , воздух , спирт , глицерин и жидкое моторное масло — все это примеры ньютоновских жидкостей в диапазоне напряжений сдвига и скоростей сдвига, встречающихся в повседневной жизни. Однофазные жидкости, состоящие из небольших молекул, обычно (хотя и не исключительно) ньютоновские.

См. Также

  • Гидравлическая механика
  • Неньютоновская жидкость

Ссылки

  1. ^ Пантон, Рональд Л. (2013). Несжимаемый поток (Четвертое изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. п. 114. ISBN 978-1-118-01343-4.
  2. Перейти ↑ Batchelor, GK (2000) [1967]. Введение в динамику жидкости . Серия Кембриджской математической библиотеки, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66396-0.
  3. ^ Kundu, P .; Коэн, И. Механика жидкости . п. (необходима страница).
  4. Перейти ↑ Kirby, BJ (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.
  5. Волобуев, АН (2012). Основы несимметричной гидромеханики . Нью-Йорк: ISBN Nova Science Publishers, Inc.  978-1-61942-696-2.

Обучение в игровой форме — увлекательное занятие. Неньютоновская жидкость своими руками, опыты с ней — интересная тема для познавательной игры с детьми. Чтобы подготовиться к домашнему эксперименту, изучите научные понятия.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Перед началом опыта необходимо объяснить ребенку отличия ньютоновской жидкости и неньютоновской жидкости:

  • В ньютоновских растворах молекулы движутся согласно физическим законам Ньютона. Вода, спирт, бензин при воздействии извне текут, меняют форму. Их структура сохраняется.
  • Неньютоновская субстанция может быть вязкой, текучей или твердой, в зависимости от характера внешней воздействующей силы. Законы Ньютона здесь не работают.

Неньютоновская жидкость простыми словами — промежуточное вещество между текучей субстанцией и твердым телом.

Классификация

Существует 3 основных группы аномальных субстанций.

Вязкие

Не зависят от времени. Среди них выделяют вязкопластичные — масляные краски, разновидности пасты. К псевдопластичным веществам относят суспензии полимеров, целлюлозы. При небольшом напряжении они текут. Дилатантные (раствор крахмала, различные типы клея) при интенсивном воздействии густеют.

Нелинейное неньютоновское вещество — кровь, здесь вязкость определяется фактором скорости.

Нереостабильные

Подвержены временному фактору. Простокваша, кефир, майонез, кетчуп теряют вязкость при взбалтывании. Их называют тиксотропными. Реопектические субстанции со временем уплотняются. Это коллоидные растворы, бентонитовые глины.

Вязкоупругие

Под воздействием силы текут, затем восстанавливают прежнюю структуру. К ним относят некоторые виды смол и тестообразные пасты.

Примеры природных неньютоновских жидкостей — это зыбучие пески, трясина на болоте, грунтовые плывуны.

Свойства

Особенность аномальных субстанций — способность изменять плотность. При механическом воздействии укрепляется связь между молекулами, а жидкость приобретает характеристики твердого тела. Молекулярная формула меняется под влиянием звуковой волны, электромагнитного поля.

Например, интенсивно размешивать густой раствор крахмала тяжело. Снизьте скорость, уменьшите усилия — ложка будет легко передвигаться. Если наполнить крахмальным желе бассейн — по нему можно пробежать, как по земле. Стоит остановиться, и вы провалитесь.

Скорость течения не влияет на плотность воды. Чем быстрее течет мед, сгущенка — тем меньше их вязкость.

Чтобы наглядно изучить свойства, сделайте неньютоновскую жидкость из крахмала.

Где применяют неньютоновские жидкости

Аномальные субстанции используют в таких отраслях:

  • В военном деле — производство бронежилетов с технологией «жидкой брони». В месте удара наполнитель мгновенно затвердевает. В обычном состоянии жилет мягкий и эластичный.
  • В производстве автомобилей. Специальные суспензии добавляют в масла для снижения трения при высоких оборотах мотора.
  • В нефтяной промышленности. Полимерные добавки применяют для уменьшения коэффициента сопротивления в трубопроводах.
  • В тушении пожаров. Чтобы увеличить длину струи из брандспойта, в раствор для тушения огня примешивают полимеры.
  • В косметической промышленности. Синтетические ингредиенты, масла, воски добавляют в состав косметики, чтобы придать вязкость.

Рецепт неньютоновской жидкости используется в домашней кулинарии. Например, при приготовлении соусов на основе муки, карамели, мармелада.

Как сделать неньютоновскую жидкость своими руками

Занимательные исследования дома с детьми облегчают изучение физики, химии в школе. Неньютоновская жидкость своими руками — интересный и веселый эксперимент.

Рецепт с крахмалом

Хозяйки знают, как приготовить кисель — примерно так же делается и неньютоновская жидкость:

  1. Возьмите кукурузный или картофельный крахмал и воду в равных пропорциях.
  2. В объемную емкость с теплой водой понемногу засыпайте крахмал, размешивая раствор.
  3. Доведите раствор до консистенции, когда перемешивание затруднится.

Объект для изучения готов.

Рецепт с клеем ПВА

Сделать неньютоновскую жидкость без крахмала можно из клея ПВА и буры (тетрабората натрия), взятых в пропорции от 1:1 до 1:4. Пошаговая инструкция:

  1. Выдавите в емкость клей.
  2. Добавьте раствор тетрабората натрия.
  3. Тщательно перемешайте.

Для лучшего результата дайте настояться смеси в герметично закрытой емкости 2 часа.

Игры и опыты с неньютоновской жидкостью для детей

Неньютоновская жидкость своими руками — химический опыт в домашних условиях. Теперь изучите с ребенком физические свойства субстанции из крахмала:

  1. Медленно опустите руку в состав — она войдет легко, как в воду.
  2. Наотмашь ударьте ладонью по поверхности — рука отскочит, останется сухой.
  3. Поручите ребенку размешать субстанцию быстро и медленно, сравнить результат.
  4. Попробуйте скатать шарик из крахмальной массы. В движении шар будет твердым, при остановке растечется по ладони.

3 ст. ложки картофельного крахмала, 2 ст. ложки воды, пищевой краситель смешайте до плотной консистенции. Получится детская игрушка «лизун». Перечисленные ингредиенты не вызовут аллергии. «Жвачку для рук» можно обернуть полиэтиленом или поместить в надувной шарик.

Этот рецепт неньютоновской жидкости позволит сделать хендгам без крахмала:

  1. По 50 мл воды и клея ПВА тщательно смешать.
  2. Добавить в смесь краситель, снова перемешать.
  3. Отдельно растворить 20 г соды в воде (50 мл).
  4. Постепенно влить содовый раствор в смесь, вымешивая до однородной консистенции.

Недостаток домашних хендгамов — недолговечность. Загрязненного «лизуна» нужно выбросить и сделать новую игрушку.

Как хранить

Домашние составы можно хранить в холодильнике. Постояв, они быстро засыхают. Чтобы восстановить вязкую структуру, добавьте воды.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как пишется ньюкасл
  • Как пишется ньюерк на русском
  • Как пишется ньюерк на английском
  • Как пишется ньюбеленсы на английском
  • Как пишется ньюанс или нюанс правильно