Fluído não-newtoniano - Non-Newtonian fluid

Um fluido não newtoniano é um fluido que não segue a lei da viscosidade de Newton , ou seja, viscosidade constante independente da tensão. Em fluidos não newtonianos, a viscosidade pode mudar quando sob força para mais líquido ou mais sólido. O ketchup , por exemplo, torna-se mais líquido quando agitado e, portanto, é um fluido não newtoniano. Muitos sal soluções e polímeros fundidos são fluidos não newtonianos, como muitas substâncias normalmente encontradas, tais como creme , pasta de dentes , amido suspensões, amido de milho , pintura , sangue , derretida manteiga , e champô .

Mais comumente, a viscosidade (a deformação gradual por cisalhamento ou tensões de tração ) de fluidos não newtonianos depende da taxa de cisalhamento ou histórico da taxa de cisalhamento. Alguns fluidos não newtonianos com viscosidade independente de cisalhamento, no entanto, ainda exibem diferenças de tensão normais ou outro comportamento não newtoniano. Em um fluido newtoniano, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento é linear, passando pela origem , sendo a constante de proporcionalidade o coeficiente de viscosidade . Em um fluido não newtoniano, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento é diferente. O fluido pode até exibir viscosidade dependente do tempo . Portanto, um coeficiente de viscosidade constante não pode ser definido.

Embora o conceito de viscosidade seja comumente usado na mecânica dos fluidos para caracterizar as propriedades de cisalhamento de um fluido, pode ser inadequado para descrever fluidos não newtonianos. Eles são melhor estudado através de vários outros reológicas propriedades que se relacionam de stress e de taxa de deformação tensores sob muitas condições, tais como diferentes fluxo oscilatório cisalhamento ou extensional de fluxo que são medidos utilizando diferentes dispositivos ou reômetros . As propriedades são melhor estudada utilizando tensor -valued equações constitutivas , que são comuns no campo da mecânica contínua .

Tipos de comportamento não newtoniano

Resumo

Classificação de fluidos com tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento.
Comparação de propriedades não newtonianas, newtonianas e viscoelásticas
Viscoelástico Material Kelvin , material Maxwell Combinação linear "paralela" de efeitos elásticos e viscosos Alguns lubrificantes , chantilly , Silly Putty
Viscosidade dependente do tempo Reopético A viscosidade aparente aumenta com a duração do estresse Líquido sinovial , tinta de impressora , pasta de gesso
Tixotrópico A viscosidade aparente diminui com a duração do estresse Iogurte , manteiga de amendoim , soluções de goma xantana , géis de óxido de ferro aquoso , géis de gelatina , géis de pectina , óleo de rícino hidrogenado , algumas argilas (incluindo bentonita e montmorilonita ), suspensão de negro de fumo em borracha de pneu derretida, algumas lamas de perfuração , muitas tintas , muitos suspensões de flocos , muitas suspensões coloidais
Viscosidade não newtoniana Espessamento de cisalhamento (dilatante) A viscosidade aparente aumenta com o aumento do estresse Suspensões de amido de milho em água (oobleck)
Diluição por cisalhamento (pseudoplástico) A viscosidade aparente diminui com o aumento do estresse Esmalte para unhas , chantilly , ketchup , melaço , xaropes, polpa de papel em água, tinta látex , gelo , sangue , alguns óleos de silicone , alguns revestimentos de silicone , areia em água
Fluidos Newtonianos Generalizados A viscosidade é constante.
A tensão depende das taxas de deformação normais e de cisalhamento e também da pressão aplicada sobre ela
Plasma sanguíneo , creme , água

Fluido de espessamento de cisalhamento

A viscosidade de um fluido de espessamento de cisalhamento , ou fluido dilatante , parece aumentar quando a taxa de cisalhamento aumenta. O amido de milho suspenso em água ("oobleck", veja abaixo ) é um exemplo comum: quando mexido lentamente parece leitoso, quando mexido vigorosamente parece um líquido muito viscoso.

Fluido de diluição de cisalhamento

A tinta é um fluido não newtoniano. Uma superfície plana coberta com tinta branca é orientada verticalmente (antes de tirar a foto, a superfície plana estava horizontal, colocada sobre uma mesa). O fluido começa a pingar na superfície, mas, devido à sua natureza não newtoniana, está sujeito a tensões devido à aceleração gravitacional . Portanto, em vez de deslizar ao longo da superfície, forma gotas muito grandes e muito densas com gotejamento limitado.

Um exemplo conhecido do oposto, um fluido de diluição de cisalhamento , ou fluido pseudoplástico, é a tinta de parede : a tinta deve escorrer facilmente do pincel quando está sendo aplicada a uma superfície, mas não goteja excessivamente. Observe que todos os fluidos tixotrópicos são extremamente diluentes por cisalhamento, mas são significativamente dependentes do tempo, enquanto os fluidos coloidais de "diluição por cisalhamento" respondem instantaneamente às mudanças na taxa de cisalhamento. Assim, para evitar confusão, a última classificação é mais claramente denominada pseudoplástica.

Outro exemplo de fluido de diluição por cisalhamento é o sangue. Esta aplicação é altamente favorecida no corpo, pois permite que a viscosidade do sangue diminua com o aumento da taxa de tensão de cisalhamento.

Plástico bingham

Os fluidos que têm uma relação tensão de cisalhamento / deformação de cisalhamento linear, mas exigem uma tensão de escoamento finita antes de começarem a fluir (o gráfico da tensão de cisalhamento contra a deformação de cisalhamento não passa pela origem) são chamados de plásticos Bingham . Vários exemplos são suspensões de argila, lama de perfuração, pasta de dente, maionese, chocolate e mostarda. A superfície de um plástico Bingham pode conter picos quando está imóvel. Em contraste, os fluidos newtonianos têm superfícies planas e sem características quando estáticos.

Reopético ou antitixotrópico

Existem também fluidos cuja taxa de deformação é função do tempo. Os fluidos que requerem um aumento gradual da tensão de cisalhamento para manter uma taxa de deformação constante são chamados de reopéticos . Um caso oposto disso é um fluido que se afina com o tempo e requer uma tensão decrescente para manter uma taxa de deformação constante ( tixotrópico ).

Exemplos

Muitas substâncias comuns exibem fluxos não newtonianos. Esses incluem:

Oobleck

Demonstração de um fluido não newtoniano na Universum na Cidade do México
Oobleck em um subwoofer. Aplicar força ao oobleck, por ondas sonoras, neste caso, torna o fluido não newtoniano mais espesso.

Um exemplo barato e não tóxico de um fluido não newtoniano é uma suspensão de amido (por exemplo, amido de milho) na água, às vezes chamada de "oobleck", "lodo" ou "lama mágica" (1 parte de água para 1,5-2 partes de amido de milho). O nome "oobleck" é derivado do livro Bartholomew and the Oobleck do Dr. Seuss .

Por causa de suas propriedades dilatantes , o oobleck é frequentemente usado em demonstrações que exibem seu comportamento incomum. Uma pessoa pode andar em uma grande banheira de oobleck sem afundar devido às suas propriedades de espessamento de cisalhamento, desde que o indivíduo se mova com rapidez suficiente para fornecer força suficiente a cada passo para causar o espessamento. Além disso, se o oobleck for colocado em um subwoofer grande acionado em um volume suficientemente alto, ele irá engrossar e formar ondas estacionárias em resposta às ondas sonoras de baixa frequência do alto-falante. Se uma pessoa socasse ou acertasse o oobleck, ele engrossaria e agiria como um sólido. Após o golpe, o oobleck voltará ao seu estado fino de líquido.

Flubber (limo)

O limo flui sob baixas tensões, mas quebra sob altas tensões

Flubber, também conhecido como slime, é um fluido não newtoniano, facilmente feito de colas à base de álcool polivinílico (como a cola branca "escolar") e bórax . Ele flui sob tensões baixas, mas quebra sob tensões e pressões mais altas. Esta combinação de propriedades fluidas e sólidas torna-o um fluido Maxwell . Seu comportamento também pode ser descrito como viscoplástico ou gelatinoso .

Cobertura de caramelo resfriado

Outro exemplo disso é a cobertura de sorvete de caramelo resfriado (desde que incorpore hidrocolóides como carragena e goma gelana ). A aplicação repentina de força - golpeando a superfície com um dedo, por exemplo, ou invertendo rapidamente o recipiente que o contém - faz com que o fluido se comporte como um sólido em vez de um líquido. Esta é a propriedade de " espessamento por cisalhamento " desse fluido não newtoniano. Um tratamento mais delicado, como inserir lentamente uma colher, deixará o produto no estado líquido. Tentar puxar a colher para fora novamente, entretanto, irá provocar o retorno do estado sólido temporário.

Silly Putty

Silly Putty é uma suspensão à base de polímero de silicone que flui, salta ou quebra dependendo da taxa de deformação.

Resina vegetal

A resina vegetal é um polímero sólido viscoelástico . Quando deixado em um recipiente, ele fluirá lentamente como um líquido para se conformar aos contornos de seu recipiente. Se for atingido com maior força, no entanto, se estilhaçará como um sólido.

Areia movediça

A areia movediça é um colóide não newtoniano de diluição por cisalhamento que ganha viscosidade em repouso. As propriedades não newtonianas da areia movediça podem ser observadas quando ela sofre um leve choque (por exemplo, quando alguém anda sobre ela ou agita com um pau), mudando entre sua fase Gel e Sol e aparentemente se liquefazendo, causando objetos na superfície da areia movediça afundar.

Ketchup

O ketchup é um fluido de diluição por cisalhamento . A diluição de cisalhamento significa que a viscosidade do fluido diminui com o aumento da tensão de cisalhamento . Em outras palavras, o movimento do fluido é inicialmente difícil em taxas lentas de deformação, mas fluirá mais livremente em taxas altas. Agitar uma garrafa invertida de ketchup pode fazer com que ela mude para uma viscosidade mais baixa, resultando em um jato repentino do condimento diluído em cisalhamento.

Fluxos granulares secos

Sob certas circunstâncias, fluxos de materiais granulares podem ser modelados como um contínuo, por exemplo, usando a reologia μ ( I ) . Esses modelos contínuos tendem a ser não newtonianos, uma vez que a viscosidade aparente dos fluxos granulares aumenta com a pressão e diminui com a taxa de cisalhamento. A principal diferença é a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento.

Veja também

Referências

links externos