Ньютоновскими называют жидкости, в которых вязкость не зависит от градиента скорости сдвига. Их поведение описывается законом вязкого течения Ньютона, согласно которому касательное напряжение прямо пропорционально градиенту скорости:
τ = η ⋅ γ̇,
где τ – касательное напряжение, η – динамическая вязкость (константа для данной жидкости при фиксированных условиях), γ̇ – скорость сдвига.
В таких системах вязкость является интегральной характеристикой, отражающей внутреннее сопротивление слоёв жидкости взаимному перемещению.
Примеры ньютоновских жидкостей: вода, этанол, бензин, ртуть, жидкие газы при умеренных температурах и давлениях.
Особенности ньютоновских жидкостей:
Такие жидкости представляют собой идеальный случай и служат эталоном при сравнении более сложных систем.
В отличие от ньютоновских, неньютоновские жидкости проявляют более сложное поведение: их вязкость зависит от скорости сдвига, времени деформации или даже от величины приложенного напряжения. Их реологические свойства нельзя описать одной константой.
Основные причины неньютоновского поведения:
Псевдопластические жидкости (сдвигоразжижающиеся) Для них вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига.
$$ \eta_{эфф} = f(\dot{\gamma}), \quad \frac{d\eta}{d\dot{\gamma}} < 0 $$
Примеры: растворы полимеров, краски, чернила, кровь. Такой тип поведения обусловлен тем, что под действием сдвига структуры (цепи или агрегаты) ориентируются и становятся более текучими.
Дилатантные жидкости (сдвигоупрочняющиеся) Их вязкость возрастает при увеличении скорости сдвига.
$$ \frac{d\eta}{d\dot{\gamma}} > 0 $$
Примеры: концентрированные суспензии крахмала в воде (так называемый “неньютоновский кукурузный крахмал”), некоторые цементные растворы. При быстром перемешивании частицы создают дополнительное сопротивление движению, вызывая “затвердевание”.
Пластические жидкости (текучие после предела текучести) Эти жидкости не текут до тех пор, пока напряжение не превысит некоторого критического значения τ0. Закон течения описывается уравнением Бингама:
τ = τ0 + η ⋅ γ̇
Примеры: майонез, пасты, зубная паста, некоторые строительные смеси.
Тиксотропные жидкости Их вязкость уменьшается со временем при постоянной скорости сдвига. Это связано с постепенным разрушением пространственных структур. Примеры: краски, гели, косметические кремы.
Реопектические жидкости Противоположность тиксотропных: вязкость увеличивается со временем при постоянном сдвиге. Примеры встречаются реже: некоторые цементные растворы, суспензии металлических порошков.
Вязкоупругие жидкости Они сочетают свойства жидкостей и твердых тел: способны не только течь, но и упруго деформироваться. Примеры: полимерные растворы, биологические жидкости (слизь, цитоплазма).
| Тип жидкости | Зависимость вязкости от скорости сдвига | Примеры |
|---|---|---|
| Ньютоновская | Константа, не зависит от γ̇ | вода, этанол |
| Псевдопластическая | Уменьшается с ростом γ̇ | кровь, краски |
| Дилатантная | Увеличивается с ростом γ̇ | крахмальные суспензии |
| Пластическая | Течение начинается только после τ0 | майонез, пасты |
| Тиксотропная | Уменьшается со временем при постоянном γ̇ | гели, краски |
| Реопектическая | Увеличивается со временем при постоянном γ̇ | цементные суспензии |
| Вязкоупругая | Сочетание текучести и упругости | растворы полимеров |
Изучение этих систем важно не только для фундаментальной физики мягкой материи, но и для прикладных задач: