비뉴턴 유체

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비뉴턴 액체는 뉴턴의 점성 법칙, 즉 스트레스와 무관하게 일정한 점도의 법칙을 따르지 않는 액이다. 비뉴턴 액체의 경우, 힘을 가하면 더 많은 액체와 더 많은 고체로 점성이 변할 수 있다. 예를 들어, 케첩은 흔들리면 더 묽어져서 뉴턴이 아닌 액체가 된다. 많은 소금 용액과 용해된 폴리머는 커스터드,[1] 치약, 녹말연기, 옥수수 녹말, 페인트, 피, 녹인 버터, 샴푸와 같은 많은 물질들이 발견되는 것처럼 뉴턴이 아닌 액체들이다.

가장 일반적으로 비뉴턴 유체의 점성(전단 또는 인장응력에 의한 점진적 변형)은 전단율 또는 전단율 이력에 따라 달라진다. 그러나 전단 독립 점도를 가진 일부 비뉴턴 액체는 여전히 정상적인 스트레스 차이 또는 기타 비뉴턴적 행동을 나타낸다. 뉴턴 유체에서 전단 응력과 전단 비율의 관계는 선형이며, 원점을 통과하며 비례의 상수가 점도 계수가 된다. 비뉴턴 액에서는 전단 응력과 전단 비율의 관계가 다르다. 유체는 심지어 시간에 따라 점성을 나타낼 수도 있다. 따라서 점도의 일정한 계수는 정의할 수 없다.

점도의 개념은 유체의 전단 특성 특성을 나타내기 위해 유체 역학에서 일반적으로 사용되지만, 뉴턴이 아닌 유체를 설명하는 것은 불충분할 수 있다. 그것들은 진동 전단 또는 확장 흐름과 같은 많은 다른 흐름 조건 하에서 응력과 변형률 텐서와 관련된 몇 가지 다른 rhemological 특성을 통해 가장 잘 연구되며, 이 특성은 다른 장치나 온도계를 사용하여 측정된다. 그 성질은 연속체 역학 분야에서 흔히 볼 수 있는 텐서 값 구성 방정식을 사용하여 더 잘 연구된다.

비뉴턴적 행동의 유형

요약

전단 응력이 있는 유체의 분류는 전단률의 함수로 한다.
비뉴턴, 뉴턴, 점탄성 특성 비교
점탄성 켈빈 소재, 맥스웰 소재 탄력 효과와 점성 효과의[2] "병렬" 선형 결합 약간의 윤활유, 생크림, Silly Putty
시간 의존 점성 레오펙틱 스트레스 지속 시간에 따라 명백한 점도 증가 시노비탈액, 프린터 잉크, 석고 페이스트
치소티방성 스트레스[2] 지속 시간에 따라 명백한 점도 감소 요구르트, 땅콩 버터, 크산탄 껌 용액, 수성 산화철 젤, 젤라틴 젤, 펙틴 젤, 수소화 카스터 오일, 일부 클레이(벤토나이트, 몽모릴로나이트 포함), 녹은 타이어 고무의 탄소 블랙 서스펜션, 일부 시추 진흙, 많은 페인트, 많은 플로크 서스펜션, 많은 콜로이드 서스펜션
논 뉴턴 점성 전단두께화(질탄제) 스트레스 증가에[3] 따라 명백한 점도 증가 옥수수 녹말의 물(오블록)의 부유
전단 박리(가소성) 응력이[4][5] 증가함에 따라 명백한 점도 감소 매니큐어, 생크림, 케첩, 당밀, 시럽, 물속의 종이펄프, 라텍스 페인트, 얼음, 피, 약간의 실리콘 오일, 약간의 실리콘 코팅, 물속의 모래
일반화된 뉴턴 유체 점도는 전단 변형률의 기능이다.
응력은 정상 및 전단 변형률과 그에 가해지는 압력에 따라 달라진다. 		혈장, 커스터드, 물

전단강화유체

전단강화유체, 즉 확장유체의 점도는 전단률이 증가할 때 증가하는 것으로 보인다. 물에 매달린 옥수수 전분("오블리크", 아래 참조)은 일반적인 예로서, 천천히 저으면 우유처럼 보이고, 힘차게 저으면 매우 점성이 강한 액체처럼 느껴진다.

전단 박리액

페인트는 뉴턴이 아닌 액체다. 흰색 페인트로 덮인 평평한 표면은 수직 방향으로 향한다(사진을 찍기 전에 평평한 표면은 수평으로, 테이블 위에 놓였다). 액체는 표면에서 떨어지기 시작하지만 뉴토니아적이지 않은 성질 때문에 중력 가속으로 인해 스트레스를 받는다. 따라서 표면을 따라 미끄러지는 대신 매우 크고 매우 밀도가 높은 물방울을 형성하며, 물방울이 제한적으로 떨어진다.

반대편인 전단 박리액 또는 가소성 액체의 익숙한 예는 벽 페인트다. 페인트는 표면에 도포할 때 브러쉬에서 쉽게 흘러나오지만 너무 많이 떨어지지 않아야 한다. 모든 등방성 유체는 극도로 전단 희석되지만 시간에 크게 좌우되는 반면, 콜로이드성 "전단 희석" 유체는 전단율의 변화에 즉각적으로 반응한다는 점에 유의한다. 따라서 혼동을 피하기 위해 후자의 분류는 더 명확하게 가성비라고 한다.

전단 박리액의 또 다른 예는 혈액이다. 이 애플리케이션은 전단 변형률 증가와 함께 혈액의 점도가 감소할 수 있기 때문에 신체 내에서 선호도가 높다.

빙엄 플라스틱

선형 전단 응력/ 전단 변형률 관계를 가지지만 흐름이 시작되기 전에 유한 항복 응력이 필요한 유체(전단 변형률에 대한 전단 응력의 플롯이 원점을 통과하지 않음)를 빙엄 플라스틱이라고 한다. 몇 가지 예로는 흙찜질, 시추 머드, 치약, 마요네즈, 초콜릿, 머스타드가 있다. 빙엄 플라스틱의 표면은 고요할 때 최고점을 지탱할 수 있다. 대조적으로 뉴턴 액체는 정지했을 때 평평한 특징 없는 표면을 가지고 있다.

Rheopectic 또는 Anti-thixotious

또한 스트레인율이 시간의 함수인 액체도 있다. 일정한 변형률을 유지하기 위해 점진적으로 증가하는 전단 응력이 필요한 유체를 rheopectic이라고 한다. 이와는 정반대의 경우는 시간에 따라 탁탁 소리를 내며 일정한 변형률(등방성)을 유지하기 위해 감소하는 스트레스를 필요로 하는 액이다.

예

많은 흔한 물질들은 뉴턴이 아닌 흐름을 보인다. 여기에는 다음이 포함된다.[6]

오블리크

멕시코시티 우니베르섬에서 뉴턴이 아닌 유체 시연
서브우퍼에 올라타라. 이 경우 음파에 의해 오블리크에 힘을 가하면 비뉴턴 액체가 두꺼워진다.[7]

뉴턴이 아닌 액체의 값싸고 독성이 없는 예는 물에 녹말(예: 옥수수 녹말)을 중단시키는 것으로, 때로는 "오블록", "오징" 또는 "마술 진흙"(수분의 1에서 옥수수 녹말의 1.5–2 부분)이라고도 한다.[8][9][10] "오블록"이라는 이름은 닥터 수스 책 바르톨로뮤와 오블록에서 유래되었다.[8]

그것의 희박한 특성 때문에, 오블록은 종종 그것의 특이한 행동을 보여주는 시위에 사용된다. 사람은 전단 두께화 특성 때문에 침하하지 않고 큰 욕조에서 걸을 수 있다. 각 단계별로 충분한 힘을 제공할 수 있을 정도로 빠르게 움직이는 한. 또 오블리크를 충분히 높은 부피로 구동되는 대형 서브우퍼 위에 올려놓으면 스피커에서 나오는 저주파 음파에 대응해 두껍게 서 있는 파동을 형성하게 된다. 만약 사람이 주먹질을 하거나 오블록을 친다면, 그것은 두꺼워져서 고체처럼 행동할 것이다. 한 대 맞고 나면 오블록은 다시 얇은 액체 같은 상태로 돌아가게 된다.

플러버(슬라임)

주요 기사: 플러버(재료)
슬라임은 낮은 응력에서는 흐르지만 높은 응력에서는 부서짐

슬라임으로도 흔히 알려져 있는 플럽버는 뉴턴이 아닌 액체로 폴리비닐 알코올 기반 접착제(예: 흰색 "학교" 접착제)와 붕소로 쉽게 만들어진다. 낮은 스트레스에서는 흐르지만 높은 스트레스와 압력에서는 부서진다. 이와 같이 유체 같은 성질과 고체 같은 성질이 결합되어 맥스웰 유체가 된다. 그것의 행동은 또한 점성적이거나 젤라틴이 많은 것으로 묘사될 수 있다.[11]

냉장 캐러멜 토핑

이것의 또 다른 예로는 냉장 캐러멜 아이스크림 토핑이 있다(카러게넌과 젤란 껌과 같은 하이드로이드를 포함하고 있는 한). 예를 들어 손가락으로 표면을 찌르거나, 용기를 잡고 있는 용기를 빠르게 뒤집음으로써 갑자기 힘을 가하면 액체가 액체라기 보다는 고체처럼 행동하게 된다. 이것은 이 비뉴턴 액체의 "털이 두꺼워지는" 성질이다. 스푼을 천천히 삽입하는 것과 같은 보다 부드러운 처리는 스푼을 액체 상태로 남긴다. 그러나 숟가락을 다시 빼내려고 하면 일시적 고체의 복귀가 촉발된다.[12]

실리 퍼티

주요기사: Silly Putty

Silly Putty는 실리콘 폴리머 기반의 서스펜션으로 변형률에 따라 흐르거나 튕기거나 끊어질 수 있다.

식물수지

주요 기사: 피치(리진)

식물수지는 점탄성 고체 중합체다. 용기에 놓아두면 용기의 윤곽에 부합하는 액체로서 천천히 흐를 것이다. 그러나 더 큰 힘으로 부딪히면 고체로 산산조각이 난다.

유사

주요 기사: 유약모래

유사는 쉬면서 점성을 얻는 전단 얇아지는 비뉴토니아 콜로이드다. 퀵샌드의 비뉴턴적 성질은 약간의 충격을 경험할 때(예를 들어 누군가가 그것을 밟거나 막대기로 그것을 자극할 때) 관찰할 수 있으며, 겔과 솔 페이즈 사이에서 이동하며 겉으로 보기에 액화되어 퀵샌드 표면에 있는 물체가 가라앉는다.

케첩

케첩은 전단을 얇게 하는 액체다.[3][13] 전단 박리란 전단 응력이 증가함에 따라 유체 점도가 감소하는 것을 의미한다. 즉, 유체 운동은 처음에는 느린 변형률에서는 어렵지만 높은 속도로 더 자유롭게 흐를 것이다. 뒤집힌 케첩병을 흔들면 점도가 낮아져 전단 얇은 조미료가 갑자기 쏟아질 수 있다.

건조하고 미세한 흐름

특정 상황에서, 예를 들어 μ(I) rheology를 사용하여, 세분화된 물질의 흐름을 연속체로 모델링할 수 있다. 이러한 연속체 모델은 세밀한 흐름의 겉보기 점도가 압력에 따라 증가하고 전단 속도에 따라 감소하기 때문에 뉴턴이 아닌 경향이 있다. 가장 큰 차이는 전단 응력과 전단력이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Ouellette, Jennifer (2013). "An-Ti-Ci-Pa-Tion: The Physics of Dripping Honey". Scientific American.
  2. ^ a b Tropea, Cameron; Yarin, Alexander L.; Foss, John F. (2007). Springer handbook of experimental fluid mechanics. Springer. pp. 661, 676. ISBN 978-3-540-25141-5.
  3. ^ a b Garay, Paul N. (1996). Pump Application Desk Book (3rd ed.). Prentice Hall. p. 358. ISBN 978-0-88173-231-3.
  4. ^ Rao, M. A. (2007). Rheology of Fluid and Semisolid Foods: Principles and Applications (2nd ed.). Springer. p. 8. ISBN 978-0-387-70929-1.
  5. ^ Schramm, Laurier L. (2005). Emulsions, Foams, and Suspensions: Fundamentals and Applications. Wiley VCH. p. 173. ISBN 978-3-527-30743-2.
  6. ^ Chhabra, R.P. (2006). Bubbles, Drops, and Particles in Non-Newtonian Fluids (2nd ed.). Hoboken: Taylor & Francis Ltd. pp. 9–10. ISBN 978-1420015386.
  7. ^ 이번 obbleck 시연은 유튜브 동영상의 인기 주제다.[which?]
  8. ^ a b "Oobleck: The Dr. Seuss Science Experiment". instructables.com.
  9. ^ "Outrageous Ooze". Exploratorium.
  10. ^ Rupp, Rebecca (1998). "Magic Mud and Other Great Experiments". The Complete Home Learning Source Book. pp. 235–236. ISBN 9780609801093.
  11. ^ Glurch 2010년 7월 6일 웨이백 머신에서 Obleck Archived를 만난다. 아이오와 주립대학 확장.
  12. ^ Barra, Giuseppina (2004). The Rheology of Caramel (PhD). University of Nottingham.
  13. ^ Cartwright, Jon (2 September 2011). "Microscopy reveals why ketchup squirts". Chemistry World. Royal Society of Chemistry.

외부 링크