Содержание страницы
- 1. Ньютоновские жидкости: эталон линейного поведения
- 2. Неньютоновские жидкости: многообразие сложного поведения
- 3. Сравнительная таблица основных типов неньютоновских жидкостей
- 4. Практическое применение и инженерные решения
- 5. Интересные факты о неньютоновских жидкостях
- 6. FAQ: Часто задаваемые вопросы
- Заключение
Введение в механику сплошных сред и, в частности, в гидродинамику, начинается с фундаментального понятия жидкости. Под этим термином понимают особую физическую среду, которая находится в непрерывном состоянии и обладает ключевым свойством — текучестью. Это означает, что жидкость способна к неограниченной деформации (изменению формы) под воздействием даже минимальных касательных (сдвиговых) сил. Исторически основы учения о движении жидкостей были заложены ещё в работах Архимеда, однако современное понимание их поведения неразрывно связано с именем Исаака Ньютона, который в XVII веке сформулировал закон внутреннего трения.
Тем не менее, все реально существующие в природе и технике жидкости далеки от идеализированных моделей. Они характеризуются целым комплексом физико-механических свойств, таких как вязкость (внутреннее трение), сжимаемость, определённое сопротивление растягивающим усилиям и, что особенно важно, достаточной подвижностью частиц. Именно наличие сил внутреннего трения и касательных напряжений при движении одного слоя жидкости относительно другого определяет её реологическое поведение. По особенностям этого поведения и зависимости вязкости от внешних условий все жидкости принято классифицировать на две большие группы: ньютоновские и неньютоновские.
1. Ньютоновские жидкости: эталон линейного поведения
Ньютоновскими называют жидкости, течение которых полностью подчиняется закону вязкого трения, сформулированному Исааком Ньютоном. Этот закон устанавливает прямую линейную зависимость между касательным напряжением и градиентом скорости сдвига. Математически это выражается следующей формулой:
где:
- τ (тау) – касательное напряжение, или напряжение сдвига, возникающее в жидкости. Это внутренняя сила, действующая на единицу площади, Па.
- μ (мю) – динамический коэффициент вязкости, являющийся константой пропорциональности для данной жидкости при определённых условиях. Его единица измерения – Паскаль-секунда (Па·с).
- du/dy – градиент скорости, перпендикулярный направлению сдвига (также известный как скорость сдвига). Он показывает, насколько быстро изменяется скорость слоёв жидкости по мере удаления от условной неподвижной поверхности, и измеряется в обратных секундах (с⁻¹).
Ключевой особенностью ньютоновской жидкости является то, что её вязкость (μ) является физической константой, зависящей исключительно от температуры, давления и химического состава. Она не изменяется под действием внешних сил, то есть не зависит от того, как быстро или медленно жидкость перемешивается или деформируется. В эту категорию попадают практически все однородные жидкости с относительно небольшой молекулярной массой. Классическими примерами служат вода, спирты, бензин, минеральные масла и водные растворы солей. Например, вязкость воды при 20°C остаётся постоянной, независимо от скорости её перемешивания, что делает её идеальным примером ньютоновского поведения. Методы определения вязкости таких сред строго регламентированы, например, стандартом ГОСТ 33-2016 (ISO 3104:2023) «Нефть и нефтепродукты. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости».
2. Неньютоновские жидкости: многообразие сложного поведения
Если реологическое поведение жидкости не описывается простой линейной зависимостью, представленной выше, её относят к категории неньютоновских. У таких сред зависимость между касательным напряжением и градиентом скорости является нелинейной и значительно более сложной. Их вязкость, называемая кажущейся вязкостью, не является константой, а изменяется в зависимости от скорости сдвига.
Как правило, неньютоновскими являются сложные многокомпонентные системы: суспензии, эмульсии, растворы и расплавы полимеров, коллоидные системы. Наличие в их составе крупных молекул, частиц или структурных образований кардинально меняет природу внутреннего трения. В реологии принято выделять несколько основных типов таких жидкостей.
2.1. Вязкопластичные (бингамовские) жидкости
Вязкопластичные жидкости, также известные как бингамовские пластики (в честь американского учёного Юджина Бингама), демонстрируют уникальное двойственное поведение. Под действием малых внешних усилий они ведут себя подобно упругому твёрдому телу. Течение начинается только тогда, когда приложенное напряжение сдвига превышает определённое пороговое значение, называемое пределом текучести. Такое поведение обусловлено наличием в жидкости прочной пространственной структуры (каркаса), которая сопротивляется деформации. Как только напряжение превышает прочность этой структуры, она разрушается, и среда начинает течь, часто ведя себя подобно обычной ньютоновской жидкости.
К этому классу относятся многие материалы из повседневной жизни и промышленности: зубная паста, масляные краски, буровые растворы, кетчуп, шоколадные массы. Например, масляная краска не стекает с кисти под действием собственного веса (напряжение ниже предела текучести), но легко наносится на стену, когда мы прикладываем усилие (превышаем предел текучести). После нанесения, когда сдвиговое воздействие прекращается, структура восстанавливается, и краска образует неподвижный слой даже на вертикальной поверхности.
2.2. Псевдопластичные (разжижающиеся при сдвиге) жидкости
Псевдопластичные жидкости не имеют предела текучести и начинают течь даже при самых незначительных напряжениях, подобно ньютоновским. Однако их ключевое отличие заключается в том, что их кажущаяся вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига. Этот эффект, называемый разжижением при сдвиге, характерен для концентрированных растворов и расплавов полимеров с длинными цепями.
В состоянии покоя длинные полимерные молекулы хаотично переплетены, создавая высокое сопротивление течению. При начале движения и увеличении скорости сдвига эти молекулярные цепи начинают распутываться и ориентироваться параллельно направлению потока. Это упорядочивание снижает внутреннее трение и, как следствие, вязкость. Примерами могут служить кровь, латексные краски, шампуни, многие соусы и сиропы.
2.3. Дилатантные (сгущающиеся при сдвиге) жидкости
Дилатантные жидкости являются полной противоположностью псевдопластичных. У них также отсутствует предел текучести, но их кажущаяся вязкость увеличивается при возрастании скорости сдвига. Этот эффект наблюдается в высококонцентрированных суспензиях, где твёрдые частицы плотно упакованы в небольшом объёме жидкости.
При низких скоростях сдвига жидкая фаза действует как смазка, позволяя частицам легко скользить друг относительно друга. Однако при резком и быстром воздействии частицы пытаются сместиться, объём между ними на мгновение увеличивается, и жидкая фаза не успевает заполнить образующиеся пустоты. В результате частицы вступают в прямое «сухое» трение, что приводит к резкому скачку вязкости и «затвердеванию» системы. Классический пример — суспензия крахмала в воде.
2.4. Временная зависимость: Тиксотропия и Реопексия
Ещё одним усложняющим фактором в поведении неньютоновских жидкостей является зависимость их вязкости от времени воздействия.
- Тиксотропные жидкости — это среды, вязкость которых уменьшается не только с ростом скорости сдвига, но и с течением времени при постоянной скорости сдвига. После снятия нагрузки их внутренняя структура восстанавливается, но на это требуется некоторое время. Чем дольше такая жидкость находилась в покое, тем выше её начальная вязкость и предел текучести. Кетчуп — отличный пример: чтобы он потек, бутылку нужно встряхнуть (разрушить структуру), после чего он течет легко.
- Реопектические жидкости демонстрируют противоположное, гораздо более редкое поведение: их вязкость увеличивается со временем при постоянном сдвиговом воздействии. Это связано с тем, что сдвиг способствует формированию более упорядоченной и прочной внутренней структуры. Примерами могут служить некоторые гипсовые пасты и типографские краски.
3. Сравнительная таблица основных типов неньютоновских жидкостей
| Характеристика | Псевдопластичные жидкости | Дилатантные жидкости | Вязкопластичные жидкости |
|---|---|---|---|
| Поведение вязкости при увеличении скорости сдвига | Вязкость уменьшается (разжижение) | Вязкость увеличивается (сгущение) | После превышения предела текучести вязкость может оставаться постоянной или уменьшаться |
| Наличие предела текучести | Отсутствует | Отсутствует | Присутствует (требуется минимальное усилие для начала течения) |
| Структурный механизм | Ориентация и распутывание длинных полимерных молекул вдоль потока | «Зацепление» и трение близкорасположенных твердых частиц при быстром сдвиге | Разрушение внутренней пространственной структуры (каркаса) при достижении критического напряжения |
| Характерные примеры | Кровь, латексная краска, расплавы полимеров, шампунь, соусы | Концентрированная суспензия крахмала в воде, зыбучие пески, жидкая броня (STF) | Зубная паста, масляная краска, буровой раствор, кетчуп, майонез |
4. Практическое применение и инженерные решения
Сложные и многогранные свойства неньютоновских жидкостей находят широчайшее применение в самых разных областях техники и технологий.
4.1. Дилатантные жидкости в системах пассивной защиты
Наиболее впечатляющим примером использования дилатантных жидкостей, часто называемых «самосгущающимися» (в англоязычной литературе Shear Thickening Fluids, STF), является создание так называемой «жидкой» брони. Технология заключается в пропитке высокопрочной баллистической ткани, такой как кевлар, полимерной наносуспензией.
Рис. 1. Эффект «жидкой» брони после ударного воздействия: многослойный пакет из кевларовой ткани, обработанный дилатантной жидкостью, демонстрирует локальное затвердевание и поглощение энергии.
В обычных условиях такой композитный материал остаётся гибким и эластичным, не сковывая движений человека, носящего бронежилет. Однако при резком высокоскоростном воздействии — например, при ударе пули или клинка — скорость сдвига в жидкости резко возрастает. Это вызывает мгновенный дилатантный эффект: наносуспензия в зоне удара твердеет за миллисекунды. В результате энергия удара не концентрируется в одной точке, а эффективно распределяется по значительно большей площади отвердевшего участка бронежилета, предотвращая пробитие.
Механизм этого явления заключается в агрегировании наночастиц суспензии под действием сдвига, которые объединяются в плотные структуры — нанокластеры, резко повышая сопротивление деформации.
Рис. 2. Схематическое образование кластеров в полимерной наносуспензии: а – равновесное состояние частиц в жидкости при отсутствии внешнего воздействия; б – сгущенное состояние с формированием нанокластеров при высокоскоростном сдвиге.
4.2. Вязкостные муфты в автомобилестроении
Дилатантные жидкости на силиконовой основе являются сердцем вязкостных муфт (вискомуфт), которые используются в трансмиссиях полноприводных автомобилей для автоматического перераспределения крутящего момента.
Рис. 3. Конструкция вязкостной муфты: а – в сборе с частично открытым корпусом; б – в полностью разобранном состоянии, демонстрируя пакеты ведущих и ведомых дисков.
Конструктивно муфта представляет собой герметичный корпус, заполненный дилатантной жидкостью, внутри которого расположены два пакета перфорированных дисков. Один пакет дисков соединен с ведущим валом (например, от передней оси), а другой — с ведомым (к задней оси), при этом диски обоих пакетов чередуются с минимальным зазором.
- При движении по ровной дороге все колеса вращаются с одинаковой скоростью. Относительного движения дисков в муфте почти нет, жидкость имеет низкую вязкость, и муфта передаёт минимальный момент.
- Когда одна из осей начинает пробуксовывать (например, передние колеса на льду), возникает разница в скоростях вращения валов. Диски внутри муфты начинают вращаться друг относительно друга, вызывая интенсивное перемешивание и сдвиг жидкости. Её вязкость резко возрастает, жидкость «затвердевает» и эффективно блокирует диски между собой. В результате крутящий момент передается на ось с лучшим сцеплением с дорогой.
4.3. Эффект Вайссенберга и переработка полимеров
Весьма нетривиальным проявлением свойств некоторых неньютоновских высоковязких жидкостей (например, растворов каучука или расплавов полимеров) является эффект Вайссенберга. Он состоит в том, что при погружении вращающегося стержня в такую жидкость она не разбрасывается в стороны под действием центробежных сил, а наоборот, начинает «наползать» на стержень и подниматься по нему.
Рис. 4. Демонстрация эффекта Вайссенберга в ротационных системах: 1 – сплошной вал, по которому поднимается жидкость; 2 – полый вал, внутрь которого продавливается вязкая среда.
Этот эффект, обусловленный возникновением нормальных напряжений в жидкости при сдвиге, нашел практическое применение. Для переработки высоковязких полимеров, таких как полистирол, вместо традиционных червячных экструдеров могут использоваться более эффективные бесчервячные дисковые экструдеры, принцип действия которых основан именно на эффекте Вайссенберга. В них интенсивное сдвиговое деформирование не только перемешивает расплав, но и вызывает механодеструкцию полимера, что улучшает его текучесть и гомогенность.
5. Интересные факты о неньютоновских жидкостях
- Зыбучие пески — это классический пример дилатантной суспензии. При медленном воздействии можно вытащить ногу, но при резких движениях песок «затвердевает», засасывая объект глубже.
- Проблема кетчупа: то, что кетчуп трудно вытряхнуть из бутылки, а потом он выливается слишком быстро, — прямое проявление тиксотропии и наличия предела текучести.
- Кровь — жидкость «умная»: она является псевдопластичной. В крупных сосудах её вязкость выше, а при протекании через тончайшие капилляры она «разжижается», снижая нагрузку на сердце.
- Название «Oobleck», которым часто называют смесь крахмала и воды, пришло из детской книги американского писателя Доктора Сьюза «Бартоломью и Ублек».
6. FAQ: Часто задаваемые вопросы
- В чём фундаментальное отличие ньютоновской жидкости от неньютоновской?
- В линейности. У ньютоновской жидкости вязкость — это константа (при постоянной температуре и давлении), и напряжение сдвига прямо пропорционально скорости сдвига. У неньютоновской вязкость — переменная величина, зависящая от скорости сдвига, а иногда и от времени.
Можно ли сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях?
- Да, очень легко. Смешайте кукурузный или картофельный крахмал с водой в пропорции примерно 2:1. Полученная суспензия будет дилатантной: при медленном опускании руки она будет жидкой, а при резком ударе — твёрдой.
Все ли густые жидкости являются неньютоновскими?
- Нет, не все. Например, глицерин или мёд очень вязкие, но их поведение близко к ньютоновскому. Густота (высокая вязкость) и неньютоновское поведение — это разные характеристики, хотя часто они сопутствуют друг другу.
Почему краска для стен является псевдопластичной, а не вязкопластичной?
- Современные латексные краски обладают свойствами обоих типов. У них есть небольшой предел текучести (чтобы не стекать), но главное их свойство — псевдопластичность. При нанесении кистью или валиком (высокая скорость сдвига) вязкость резко падает, что облегчает нанесение, а в состоянии покоя на стене вязкость восстанавливается, предотвращая образование подтёков.
Заключение
Разделение жидкостей на ньютоновские и неньютоновские является краеугольным камнем современной реологии и инженерной практики. Если ньютоновские жидкости представляют собой удобную и хорошо изученную модель, то мир неньютоновских сред поражает своим разнообразием и сложностью. Понимание их уникальных свойств — разжижения или сгущения при сдвиге, тиксотропии, наличия предела текучести — открывает колоссальные возможности для создания новых «умных» материалов и технологий. От бронежилетов, твердеющих при ударе, до систем полного привода в автомобилях и эффективных методов переработки пластмасс — неньютоновские жидкости уже изменили наш мир и продолжают оставаться в авангарде научных исследований в материаловедении, химической технологии и биомедицинской инженерии.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.