مقایسه سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی

سیالات از دیدگاه رفتارشان در برابر نیروی وارده بر آنها به دوسته نیوتنی و غیرنیوتنی تقسیم می شوند:

سیال نیوتنی:

سیالات نیوتونی در دما و فشار ثابت، ویسکوزیته ثابت می ماند. یعنی اگر نیرویی از بیرون بر آنها وارد شود، ویسکوزیته تغییر نمی کند. بنابراین در سیالات نیوتنی، ویسکوزیته فقط تابع دما و فشار می باشد و به نیروی بیرونی وارد بر سیال وابسته نیست. به عنوان مثال اگر یک سنگ را به درون یک ظرف آب بیاندازیم، تغییری در غلظت آن ایجاد نمی شود. زیرا آب یک سیال نیوتنی است. رابطه بین تغییرات تنش برشی و نرخ کرنش اعمال شده به صورت خطی است و ضریب ثابت تبدیل کننده این تناسب خطی به معادله، همان لزجت یا گرانروی (ویسکوزیته) است. در رابطه زیر نرخ کرنش بصورت گرادیان سرعت نشان داده شده است. بنابراین تنش برشی برابر است با:

سیال غیر نیوتنی:

در سیالات غیرنیوتنی، ویسکوزیته (لزجت) با اعمال نیروی وارد بر سیال، تغییر می کند. بعبارت دیگر سیالی که گرانروی آن با نرخ کرنش وارد بر آن تغییر می‌کند، غیرنیوتنی می باشد. در نتیجه چنین سیالاتی فاقد گرانروی یا ویسکوزیته معین هستند. بنابراین در سیالات غیرنیوتونی ضریبی ثابت مانند لزجت برای توصیف وضعیت تنش برشی معنا ندارد. مانند: صابون‌های مایع و لوازم آرایشی، غذاهایی مانند کره، پنیر، مربا، کچاپ، مایونز، سوپ و ماست، مواد طبیعی مانند ماگما، گدازه، آدامس و عصارها مانند عصاره وانیل، سیالات بیولوژیکی مانند خون، بزاق و مایع سینوویال (مایع بین مفصلی)، امولسیون مانند سس مایونز و برخی از انواع دیسیرسیون.

سیالات غیرنیوتنی به دو گروه تقسیم می شوند:

1- گروه اول آن دسته از سیالات غیرنیوتنی هستند که ویسکوزیته آنها علاوه بر نیروی اعمالی، به مدت زمان اعمال نیرو نیز وابسته است. یعنی ویسکوزیته آنها با اعمال نیرو و تنش برشی، در طول زمان تغییر می کند. این گروه شامل سیالات رئوپکتیک (Rheopetic) و تیکسوتروپیک (Thixotropic) می باشد. 2- گروه دوم آن دسته از سیالات غیرنیوتنی می باشند که ویسکوزیته آنها به مدت زمان اعمال نیرو بستگی ندارد و تنها اندازه یا مقدار نیرو و تنش برشی است که ویسکوزیته آنها را تغییر می دهد. این گروه شامل سیالات دایلاتنت (Dilatant)، شبه پلاستیک (Pseudoplastic) و بینگهام (Bingham) می باشند.

1- سیالات غیرنیوتنی وابسته به مدت زمان اعمال نیرو:

1-1 سیالات غیر نیوتنی رئوپکتیک:

همان طور که در بالا اشاره شد در سیالات رئوپکتیک، ویسکوزیته علاوه بر مقدار نیروی اعمالی، به مدت زمان اعمال نیرو نیز وابسته است. در واقع سیالی که با اعمال تنش در طول زمان، ویسکوزیته آن افزایش یابد، رئوپکتیک می باشد. اما اگر نیرو بصورت آنی و ناگهانی بدان وارد شود در ویسکوزیته آن تغییری ایجاد نمی شود. جوهر پرینتر و خامه نمونه هایی از سیال غیرنیوتنی رئوپکتیک می باشند. بعنوان مثال زمانی که خامه در طی مدت زمان معینی هم زده شده و به آن نیروی مداومی وارد می کنیم، سفت می شود و ویسکوزیته آن افزایش می یابد.

1-2 سیالات غیرنیوتنی تیکسوتروپیک:

در این گروه از سیالات غیرنیوتنی نیز همانند سیالات غیرنیوتنی رئوپکتیک، ویسکوزیته تابع مقدار نیرو و مدت زمان اعمال نیرو می باشد. اما در سیالات تیکسوتروپیک دقیقا برخلاف سیالات رئوپکتیک، ویسکوزیته با اعمال نیرو در طول زمان، کاهش می یابد. عسل یک مثال بارز برای یک سیال غیرنیوتنی تیکسوتروپیک می باشد. زمانی که عسل بمدت زمان مناسبی هم زده شود، روان می شود و در واقع از غلظت آن کاسته می شود اما اگر مدت زمان زیادی از آن استفاده نشود (نیرویی در طول زمان بدان وارد نشود)، عسل سفت می شود.

2- سیالات غیر نیوتنی مستقل از مدت زمان اعمال نیرو:

2-1 سیالات غیرنیوتنی دایلاتنت:

همانطور که قبلا اشاره شد، در سیالات دایلاتنت ویسکوزیته تنها به مقدار نیروی وارد شده بستگی دارد. در این سیالات با افزایش نیروی وارد بر سیال، ویسکوزیته افزایش می یابد. یعنی با افزایش تنش وارده، سیال سفت تر می شود و رفتاری مانند یک جامد از خود نشان می دهد بطوریکه حتی می توانید روی آن راه بروید. از این ویژگی در تفریحات و سرگرمی ها استفاده می شود. سوسپانسیون ها می توانند چنین رفتاری از خود نشان دهند. بعنوان مثال ترکیب اوبلک (Oobleck) که شامل آب و نشاسته ذرت است، چنین رفتاری دارد. شما با وارد کردن ضربه با مشت خود باعث سفت شدن این سیال می شوید، بطوری که مشت شما وارد سیال نمی شود. اما اگر به آرامی دست را وارد سیال کنید، دست به داخل سیال فرو می رود.

2-2 سیالات غیرنیوتنی شبه پلاستیک:

در این گروه از سیالات غیر نیوتنی مانند گروه سیالات غیر نیوتنی دایلاتنت، ویسکوزیته تنها به مقدار نیروی وارد شده بستگی دارد و متاثر از مدت زمان اعمال نیرو نمی باشد. اما در سیال شبه پلاستیک برخلاف سیالات دایلاتنت، با افزایش نیروی اعمالی، ویسکوزیته کاهش می یابد و سیال روان تر می شود. سس کچاب نمونه ای بارز از یک سیال غیرنیوتنی شبه پلاستیک می باشد. این سس زمانی که در ظرف خود قرار دارد سفت می باشد اما با اعمال فشار یا ضربه، روان شده و از ظرف خارج می شود.

جمع بندی 1:

تا اینجا آموختیم که در صورت اعمال تنش، با توجه به ماهیت سیال سه حالت می تواند اتفاق بیفتد؛ اگر سیال نیوتنی باشد، ویسکوزیته آن ثابت می ماند. اگر سیال، غیرنیوتنی دایلاتنت باشد، ویسکوزیته آن افزایش می یابد و اگر سیال، غیرنیوتنی شبه پلاستیک باشد، ویسکوزیته آن کاهش می یابد.
در صورتی که این تنش در طول زمان وارد شود، ویسکوزیته در سیال غیرنیوتنی رئوپکتیک و تیکسوتروپیک به ترتیب افزایش و کاهش می یابد.

2-3 سیالات غیرنیوتنی بینگهام و پلاستیک بینگهام:

این گروه ازسیالات برای جاری شدن نیاز به یک تنش برشی اولیه دارند. یعنی اگر تنش اعمالی بر آنها به یک حد آستانه ای برسد، شروع به حرکت می کنند. حال اگر ویسکوزیته ثابت بماند، به آن سیال بینگهام می گوییم. به عنوان مثال می توان به میکرو و نانو کاموپوزیت‌های سیلیکا پلیمری اشاره کرد.