اطلاعات مختصر در مورد سیال‌های غیر نیوتنی

سیال‌های غیر نیوتنی به افتخار فیزیک دان و ریاضی دان مشهور، سر اسحاق نیوتن نام گذاری شدند. این سیال‌ها از مشاهداتی که او در کارش انجام داد و آنها را به عنوان مکانیک نیوتنی طبقه بندی کرد، پیروی نمی‌کنند. این مقاله اطلاعات مختصری در مورد این سیال‌ها و خواص آنها همراه با کاربردهایشان به شما می‌دهد.

راز ریگ روان :

ریگ روان نمونه‌ای از سیال غیر نیوتنی است که ویسکوزیته‌ی آن با کاهش سرعت تنشی که اعمال می‌شود، افزایش می‌یابد و بر عکس. به همین دلیل است که مانع حرکت سریع و تند هر چیز و یا تن، درون خود می‌شود. روش بیرون آمدن از ریگ روان، حرکت آرام و آهسته به سمت لبه‌ی امن است.
علم شگفت انگیز و جادویی است. هر چه بیشتر سعی می‌کنیم آن را بشناسیم و درک کنیم، پیچیده‌تر می‌شود. تمام پیچیدگی‌های آن یک لطف و نعمت واقعی برای بشر است و او را وادار می‌کند تا محدودیت‌ها را هل دهد و تاریکی را بیشتر کاوش کند. یکی از این اتفاقات شگفت انگیز، سیال‌های غیر نیوتنی است.

سیال غیر نیوتنی چیست؟

برای درک مفهوم سیال‌های غیر نیوتنی، بسیار مهم است که در وهله‌ی اول، درک و شناخت روشنی از سیال‌های نیوتنی داشته باشید. طبق تئوری نیوتن، تحت دما و فشار نرمال، سیال جریان و یا ویسکوزیته‌ی ثابتی دارد و شکل ظرفی را می‌گیرد که در آن ریخته می‌شود. سیال‌هایی که هر دوی این شرایط را داشته باشد، به سیال‌های نیوتنی معروف هستند.
در مقابل، مطالعات بعدی در زمینه‌ی مکانیک‌ سیالات آشکار کرد که سیال‌های غیر همگن ویژه‌ای وجود دارند که با اعمال تنش برشی، تغییری در حالت خود و یا ویسکوزیته، از خود نشان می‌دهند. این سیال‌ها جزو سیال‌های غیر نیوتنی طبقه بندی می‌شوند.

خواص :

معادله‌ی قانون نیرو برای سیالات، رابطه‌ی بین ویسکوزیته (ɳ) و سرعت برش (y) را به ما می‌دهد.
به طور ریاضی :
که در آن K شاخص ثبات جریان (ماده) و n شاخص رفتار جریان است.
خواص سیال‌ها با شاخص رفتار سیال به صورت زیر مشخص می‌شود :
اگر n<1 باشد، سیال شبه پلاستیک است.
اگر n =1 باشد، سیال نیوتنی است.
اگر n >1 باشد، سیال منبسط شونده است.

منحنی ویسکوزیته بر حسب تنش در طول زمان

تیکسو تراپی : سیال‌های شبه پلاستیک یا پلاستیک‌های تیکسو تراپی، سیال‌هایی هستند که ویسکوزیته‌ی آنها بر حسب تنش برشی که در طول زمان به آنها اعمال می‌شود، کاهش می‌یابد.
رئوپکتی : مواد منبسط شونده، موادی هستند که تنش برشی آنها فقط وابسته به زمان اعمال آن است. ویسکوزیته‌ی مواد منبسط شونده با افزایش زمانی که تنش برشی بر روی سیال نگه داشته می‌شود، ادامه می‌یابد. این رفتار در سیال‌ها به عنوان رئوپکتی شناخته می‌شود.

منحنی ویسکوزیته بر حسب تنش

نازک شدن برش : یکی از مفیدترین خواص برخی از سیال‌های غیر نیوتنی، نازک شدن برش است. چنین سیال‌هایی تحت اعمال تنشی که مکرراً در حال افزایش است، به خاطر سر خوردن ذرات سیال بر روی یک دیگر، ثبات خود را از دست می‌دهند.
کلفت شدن برش : بر خلاف رفتار نازک شدن برش که برخی سیال‌های غیر نیوتنی از خود نشان می‌دهند، برخی سیال‌ها وجود دارند که دوست دارند تحت تنش سریع، به خاطر اندازه‌ی بزرگ ذرات تشکیل دهنده‌ی خود، مثل جامدها رفتار کنند. اما حرکت آرام و با تأخیر، به شارش و جریان یافتن این ذرات کمک می‌کند.
منحنی تنش برشی بر حسب سرعت برش
پلاستیک‌های بینگام : پلاستیک‌های بینگام موادی هستند که تنش برشی خطی نسبت به سرعت برش دارند. آنها باید قبل از این که شروع به شارش و جریان بکنند، بر مقدار آستانه‌ی تنش برشی غلبه کنند. تا وقتی که تنش برشی اعمال شده زیر مقدار آستانه برای آن ماده باشد، حالت جامد اصلی خود را حفظ می‌کند.
مثال‌هایی از سیال‌های غیر نیوتنی :
سیمان یا آب آهک کاغذی
کچاپ
عسل
لاک ناخن
اوبلیک
رزین رنگ
رنگ‌ها
خون
ژلاتین
خامه‌ی پف کرده

کاربردها :

سیال‌های غیر نیوتنی راه به دنیای دیگری را در زمینه‌ی علم ماده و کاربردهای آن باز کردند و منتظر شگفتی‌های تکنولوژیکی ما هستند. وقایع طبیعی فراوانی وجود دارند که ثابت می‌کنند چقدر سیال‌های غیر نیوتنی برای بشر مفید هستند. با الهام از این موضوع، محققان پژوهشی زیادی برای کشف کاربردهای سیال‌های غیر نیوتنی در زندگی، به کار گرفته شده‌اند. علاوه بر این، این سیال‌ها به علم کمک کرده‌اند تا برخی از بلایا و پدید‌ه‌های خطرناک طبیعت را توضیح دهد و راه‌هایی برای مبارزه با آنها پیدا کند. برخی از این کاربردها عبارتند از :
• تهیه‌ی پایه و پی انعطاف پذیر و ساخت سازه‌ در مناطقی که در معرض زلزله هستند تا اثر نوسانات را بر روی ساختمان در طول زلزله کاهش دهد.
• برای توسعه‌ی لباس‌های به حد کافی انعطاف پذیر تا اجازه‌ی حرکت به بدن را بدهد اما پوشنده‌ی لباس را از تأثیر فیزیکی سریع تسلیحات حفظ کند.
• برای استفاده در مصارف سرگرمی و تحصیلی و آموزشی
بنابراین، دفعه‌ی بعد وقتی دیدید فردی سریع و بدون غرق شدن بر روی سیالی راه می‌رود و یا با تمام نیروی خود به مخلوط نشاسته‌ی ذرت ضربه می‌زند اما درون آن نفوذ نمی‌کند، بدانید که جادویی و سحر آمیز نیست. علم چیزی است که با آن سر و کار دارید!