سائل غير نيوتوني

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

في الكيمياء الفيزيائية وميكانيكا الموائع ، يُعرف المائع غير النيوتوني بأنه مائع لا يخضع لقانون نيوتن للزوجة ؛ أي أن لزوجته متغيرة تبعًا للإجهاد . فعلى وجه الخصوص، تتغير لزوجة الموائع غير النيوتونية عند تعرضها لقوة. فعلى سبيل المثال، يصبح الكاتشب أكثر سيولة عند رجه، وبالتالي فهو مائع غير نيوتوني. وتُعدّ العديد من محاليل الأملاح والبوليمرات المنصهرة من الموائع غير النيوتونية ، وكذلك العديد من المواد الشائعة مثل الكاسترد ، ومعجون الأسنان ، ومعلقات النشا ، والطلاء ، والدم ، والزبدة المذابة ، والشامبو .

في أغلب الأحيان، تعتمد لزوجة السوائل غير النيوتونية (التشوه التدريجي الناتج عن إجهادات القص أو الشد) على معدل القص أو تاريخه. مع ذلك، تُظهر بعض السوائل غير النيوتونية ذات اللزوجة المستقلة عن القص اختلافات في الإجهاد العمودي أو سلوكًا غير نيوتوني آخر. في السوائل النيوتونية، تكون العلاقة بين إجهاد القص ومعدل القص خطية، وتمر بنقطة الأصل ، وثابت التناسب هو معامل اللزوجة. أما في السوائل غير النيوتونية، فتختلف هذه العلاقة، إذ قد تُظهر لزوجة متغيرة مع الزمن . لذا، لا يمكن تحديد معامل لزوجة ثابت.

على الرغم من شيوع استخدام مفهوم اللزوجة في ميكانيكا الموائع لوصف خصائص القص للمائع، إلا أنه قد لا يكون كافيًا لوصف الموائع غير النيوتونية. ويُفضل دراسة هذه الموائع من خلال خصائص ريولوجية أخرى تربط بين موترات الإجهاد ومعدل الانفعال في ظل ظروف تدفق مختلفة، مثل القص التذبذبي أو التدفق التمددي، والتي تُقاس باستخدام أجهزة أو مقاييس ريولوجية متنوعة . وتُدرس هذه الخصائص بشكل أفضل باستخدام المعادلات التكوينية ذات القيم الموترية ، الشائعة في مجال ميكانيكا الأوساط المتصلة .

بالنسبة للزوجة في الموائع غير النيوتونية، توجد تدفقات شبه بلاستيكية ، وبلاستيكية ، وتمددية لا تعتمد على الزمن، بينما توجد تدفقات ثيكسوتروبية وريوبكتيكية تعتمد على الزمن. ومن أشهر الموائع غير النيوتونية التي تعتمد على الزمن، والتي حددها الباحثون، نموذج أولدرويد-ب [ 2 ] ، ونموذج والترز السائل ب [ 3 ] ، وموائع ويليامسون [ 4 ] .

أُجري تحليل ذاتي التشابه يعتمد على الزمن لنموذج لاديزنسكايا ذي موتر إجهاد غير خطي يعتمد على السرعة. [ 5 ] لم يُتوصل إلى حلول تحليلية، ولكن تم تقديم نظرية وجود رياضية دقيقة [ 6 ] للحل.

بالنسبة للسوائل غير النيوتونية غير المعتمدة على الزمن، فإن الحلول التحليلية المعروفة أوسع بكثير. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

أنواع السلوك غير النيوتوني

ملخص

رسم بياني يوضح العلاقة بين إجهاد القص (المحور الرأسي) ومعدل القص (المحور الأفقي). تمتد ثلاثة خطوط مستقيمة لأعلى ولليمين من نقطة الأصل: خط نيوتن (مستقيم)، وخط اللدونة الكاذبة (ينحني لأسفل)، وخط التمدد (ينحني لأعلى). ويمتد خطان آخران من نقطة على المحور الرأسي أعلى نقطة الأصل: خط بينغهام اللدن (مستقيم) وخط بينغهام اللدونة الكاذبة (ينحني لأسفل).
تصنيف السوائل ذات الإجهاد القصي كدالة لمعدل القص. يمثل ميل كل خط لزوجة المادة عند معدل القص المحدد.
مقارنة الخصائص غير النيوتونية والنيوتونية واللزجة المرنة
سلوكنماذجملكياتأمثلة
لزج مرنمادة كلفن ، مادة ماكسويل"التركيبة الخطية المتوازية" للتأثيرات المرنة واللزجة [ 11 ]بعض المزلقات ، كريمة مخفوقة ، معجون سيليكون
اللزوجة المتغيرة مع الزمنريوبكتيكتزداد اللزوجة الظاهرية مع مدة الإجهادالسائل الزلالي ، حبر الطابعة ، معجون الجبس
ثيكسوتروبيكتنخفض اللزوجة الظاهرية مع مدة الإجهاد [ 11 ]الزبادي ، زبدة الفول السوداني ، محاليل صمغ الزانثان ، هلامات أكسيد الحديد المائية، هلامات الجيلاتين ، هلامات البكتين ، زيت الخروع المهدرج ، بعض أنواع الطين (بما في ذلك البنتونيت والمونتوموريلونيت )، معلق الكربون الأسود في مطاط الإطارات المنصهر، بعض سوائل الحفر ، العديد من أنواع الدهانات ، العديد من معلقات المواد المُرَسِّبة ، العديد من المعلقات الغروية .
اللزوجة غير النيوتونيةزيادة اللزوجة بالقص (التمدد)تزداد اللزوجة الظاهرية مع زيادة الإجهاد [ 12 ]معلقات نشا الذرة في الماء (أوبليك)
خاصية ترقق القص (اللدونة الكاذبة)تنخفض اللزوجة الظاهرية مع زيادة الإجهاد [ 13 ] [ 14 ]طلاء أظافر ، كريمة مخفوقة ، كاتشب ، دبس السكر ، شراب، لب ورق في الماء، طلاء لاتكس ، ثلج ، دم ، بعض زيوت السيليكون ، بعض طبقات السيليكون ، رمل في الماء
الموائع النيوتونية المعممةاللزوجة هي دالة لمعدل إجهاد القص. يعتمد الإجهاد على معدلات الإجهاد العمودي والقصي، وكذلك على الضغط المطبق عليه.بلازما الدم ، الكاسترد ، الماء

سائل مُثخّن بالقص

تزداد لزوجة السوائل المتمددة ( التي تزداد لزوجتها مع زيادة معدل القص) على ما يبدو. يُعد نشا الذرة المعلق في الماء (المعروف باسم "أوبليك"، انظر أدناه ) مثالاً شائعاً على ذلك: فعند تحريكه ببطء يبدو لونه حليبياً، وعند تحريكه بقوة يصبح سائلاً شديد اللزوجة.  

سائل ذو خاصية ترقق القص

الطلاء سائل غير نيوتوني. سطح مستوٍ مغطى بطلاء أبيض موضوع عموديًا (قبل التقاط الصورة، كان السطح أفقيًا موضوعًا على طاولة). يبدأ السائل بالتقطير على السطح، ولكن نظرًا لطبيعته غير النيوتونية، فإنه يتعرض لإجهاد ناتج عن تسارع الجاذبية . لذلك، بدلًا من الانزلاق على السطح، يتشكل على هيئة قطرات كبيرة وكثيفة جدًا مع تقطير محدود.

من الأمثلة الشائعة على عكس ذلك، السوائل ذات اللزوجة المنخفضة عند القص ، أو السوائل شبه البلاستيكية، طلاء الجدران : إذ يجب أن ينساب الطلاء بسهولة من الفرشاة عند وضعه على السطح دون أن يتقطر بشكل مفرط. تجدر الإشارة إلى أن جميع السوائل الثيكسوتروبية تتميز بانخفاض لزوجتها الشديد عند القص، إلا أن هذا الانخفاض يعتمد بشكل كبير على الزمن، بينما تستجيب السوائل الغروية "ذات اللزوجة المنخفضة عند القص" بشكل فوري للتغيرات في معدل القص. لذا، ولتجنب الالتباس، يُطلق على هذا النوع الأخير اسم "شبه بلاستيكي".

يُعد الدم مثالاً آخر على السوائل التي يقل لزوجتها مع زيادة معدل القص. ويُفضّل استخدامه داخل الجسم، لأنه يسمح بانخفاض لزوجة الدم مع زيادة معدل إجهاد القص.

بلاستيك بينغهام

تُسمى السوائل التي تتميز بعلاقة خطية بين إجهاد القص والانفعال القصي، ولكنها تتطلب حدًا أدنى من إجهاد الخضوع قبل أن تبدأ بالتدفق (أي أن منحنى إجهاد القص مقابل الانفعال القصي لا يمر بنقطة الأصل)، بالسوائل البلاستيكية من نوع بينغهام . ومن أمثلتها: معلقات الطين، وطين الحفر، ومعجون الأسنان، والمايونيز، والشوكولاتة، والخردل. ويمكن أن يحتفظ سطح السائل البلاستيكي من نوع بينغهام بتضاريس عند سكونه. في المقابل، تتميز السوائل النيوتونية بأسطح مستوية خالية من التضاريس عند سكونها.

ريوبكتيكي أو مضاد للانسيابية

توجد أيضًا سوائل يتغير معدل إجهادها مع الزمن. تُسمى السوائل التي تتطلب إجهاد قص متزايد تدريجيًا للحفاظ على معدل إجهاد ثابت بالسوائل الريوبكتية . وعلى النقيض من ذلك، يوجد سائل يقل لزوجته مع مرور الوقت ويتطلب إجهادًا متناقصًا للحفاظ على معدل إجهاد ثابت ( السوائل الثيكسوتروبية ).

أمثلة

تُظهر العديد من المواد الشائعة تدفقات غير نيوتونية. وتشمل هذه:

أوبليك

عرض توضيحي لسائل غير نيوتوني في مركز يونيفرسوم بمدينة مكسيكو
مادة أوبليك على مضخم صوت. يؤدي تطبيق قوة على مادة أوبليك، بواسطة الموجات الصوتية في هذه الحالة، إلى زيادة كثافة السائل غير النيوتوني. [ 16 ]

من الأمثلة غير المكلفة وغير السامة للسوائل غير النيوتونية معلق النشا (مثل نشا الذرة) في الماء، والذي يُطلق عليه أحيانًا اسم "أوبليك" أو "الوحل" أو "الطين السحري" (جزء واحد من الماء إلى 1.5-2 جزء من نشا الذرة). [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] اسم "أوبليك" مشتق من كتاب دكتور سوس "بارثولوميو والأوبليك" . [ 17 ]

بسبب خصائصه التمددية ، يُستخدم الأوبليك غالبًا في عروض توضيحية تُظهر سلوكه غير المألوف. يمكن لشخص أن يمشي على حوض كبير من الأوبليك دون أن يغرق بفضل خاصية زيادة لزوجته عند القص ، شريطة أن يتحرك بسرعة كافية لتوفير قوة كافية مع كل خطوة لإحداث هذه الزيادة. كذلك، إذا وُضع الأوبليك على مضخم صوت كبير يعمل بمستوى صوت عالٍ بما فيه الكفاية، فإنه سيزداد لزوجته ويُشكّل موجات ثابتة استجابةً لموجات الصوت منخفضة التردد الصادرة من مكبر الصوت. إذا قام شخص بلكم أو ضرب الأوبليك، فإنه سيزداد لزوجته ويتصرف كجسم صلب. بعد الضربة، سيعود الأوبليك إلى حالته السائلة الرقيقة.

فلوبر (مادة لزجة)

يتدفق الوحل تحت ضغوط منخفضة ولكنه ينكسر تحت ضغوط أعلى.

الفلابر، المعروف أيضاً باسم السلايم، هو سائل غير نيوتوني، يُصنع بسهولة من مواد لاصقة أساسها أسيتات البولي فينيل (مثل الغراء الأبيض المستخدم في المدارس) والبورق . يتدفق تحت ضغوط منخفضة، ولكنه ينكسر تحت ضغوط عالية. هذا المزيج من الخصائص السائلة والصلبة يجعله سائلاً ماكسويلياً . ويمكن وصف سلوكه أيضاً بأنه لزج مرن أو هلامي . [ 20 ]

طبقة الكراميل الباردة

مثال آخر على تدفق السوائل غير النيوتونية هو صلصة الكراميل المثلجة التي تُضاف إلى آيس كريم (شريطة أن تحتوي على مواد غروانية مائية مثل الكاراجينان وصمغ الجيلان ). يؤدي تطبيق قوة مفاجئة - كطعن السطح بإصبع، على سبيل المثال، أو قلب الوعاء الذي يحتويها بسرعة - إلى جعل السائل يتصرف كجسم صلب بدلاً من سائل. هذه هي خاصية " التثخين بالقص " لهذا السائل غير النيوتوني. أما المعالجة اللطيفة، كإدخال ملعقة ببطء، فستبقيه في حالته السائلة. لكن محاولة سحب الملعقة للخارج فجأة ستؤدي إلى عودته إلى حالته الصلبة المؤقتة. [ 21 ]

معجون سيللي

معجون السيليكون عبارة عن مادة معلقة مصنوعة من بوليمر السيليكون ، والتي ستتدفق أو ترتد أو تنكسر، اعتمادًا على معدل الإجهاد.

راتنج نباتي

الراتنج النباتي عبارة عن بوليمر صلب لزج مرن . عند تركه في وعاء، يتدفق ببطء كسائل ليأخذ شكل الوعاء. أما إذا تعرض لضربة قوية، فإنه يتحطم إلى كتلة صلبة.

الرمال المتحركة

الرمال المتحركة عبارة عن غرواني غير نيوتوني ذو لزوجة متغيرة مع معدل القص، يكتسب لزوجة في حالة السكون. ويمكن ملاحظة خصائص الرمال المتحركة غير النيوتونية عند تعرضها لصدمة طفيفة (على سبيل المثال، عند المشي عليها أو تحريكها بعصا)، حيث تتحول بين حالتيها الهلامية والسائلة ، وتبدو وكأنها تسيل، مما يتسبب في غرق الأجسام الموجودة على سطحها.

كاتشب

الكاتشب سائل ذو لزوجة متغيرة مع زيادة معدل القص . [ 12 ] [ 22 ] تعني هذه الخاصية أن لزوجة السائل تقل مع زيادة إجهاد القص . بعبارة أخرى، يكون تدفق السائل صعبًا في البداية عند معدلات التشوه البطيئة، ولكنه يصبح أكثر سهولة عند المعدلات العالية. رجّ زجاجة كاتشب مقلوبة قد يؤدي إلى انخفاض لزوجتها نتيجةً لخاصية ترقق القص، مما يُسهّل سكبها من الزجاجة.

تدفقات حبيبية جافة

في ظروف معينة، يمكن نمذجة تدفقات المواد الحبيبية كوسط متصل، على سبيل المثال باستخدام علم الريولوجيا μ ( I ) . تميل هذه النماذج المتصلة إلى أن تكون غير نيوتونية، حيث تزداد اللزوجة الظاهرية لتدفقات المواد الحبيبية مع الضغط وتقل مع معدل القص. ويكمن الاختلاف الرئيسي في إجهاد القص ومعدل القص.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أويليت، جينيفر (2013). "An-Ti-Ci-Pa-Tion: The Physics of Diipping Honey" . مجلة ساينتفك أمريكان .
  2. ↑ أولدرويد، ج. (1950). "حول صياغة معادلات الحالة الريولوجية" . وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ. العلوم الرياضية والفيزيائية . 200 (1063): 523-541 . Bibcode : 1950RSPSA.200..523O . doi : 10.1098/rspa.1950.0035 .
  3. ↑ والترز، ك. (1963). "تأثيرات غير نيوتونية في بعض السوائل المرنة اللزجة التي يتميز سلوكها عند معدلات قص صغيرة بمعادلات حالة خطية عامة". المجلة الفصلية للميكانيكا والرياضيات التطبيقية 6 : 63.
  4. ↑ ويليامسون، آر في (1929). "تدفق المواد شبه البلاستيكية" . الهندسة الكيميائية الصناعية . 21 (11): 1108-1111 . doi : 10.1021/ie50239a035 .
  5. ↑ IF, Barna; Bognár, G.; Hriczó, K. (2016). "الحل التحليلي المتشابه ذاتيًا لمعادلة نافيير-ستوكس ثنائية الأبعاد مع لزوجة من النوع غير النيوتوني" . النمذجة والتحليل الرياضي . 21 (1): 83-94 . arXiv : 1410.1303 . doi : 10.3846/13926292.2016.1136901 .
  6. ↑ وي، د.؛ الأشهب، س. (2019). "وجود حلول ذاتية التشابه لمعادلة نافيير-ستوكس ثنائية الأبعاد للسوائل غير النيوتونية" . المجلة العربية للعلوم الرياضية . 26 (1/2): 167. doi : 10.1016/j.ajmsc.2019.04.001 .
  7. ↑ غيدا، م.؛ حموش، ز. (2008). "حلول التدفق المتشابه لسائل غير نيوتوني ذي قانون قوة" . المجلة الدولية للعلوم غير الخطية . 6 (3): 255-264 . arXiv : 0904.0315 .
  8. ↑ غيدا، م.؛ كيرسنر، ر. (2011). "الموائع اللدنة الكاذبة غير النيوتونية: نتائج تحليلية وحلول دقيقة" . المجلة الدولية للميكانيكا غير الخطية . 46 (7): 949-957 . Bibcode : 2011IJNLM..46..949G . doi : 10.1016/j.ijnonlinmec.2011.04.009 .
  9. ↑ وي، د.هـ؛ الأشهب، س. (2014). "حلول التشابه لتدفق الموائع غير النيوتونية ذات قانون القوة" . الرياضيات التطبيقية والميكانيكا . 35 (9): 1155-1166 . doi : 10.1007/s10483-014-1854-6 .
  10. ↑ بوغنار، ج. (2009). "حل التشابه لتدفق الطبقة الحدية للسوائل غير النيوتونية" . المجلة الدولية للعلوم غير الخطية والمحاكاة العددية . 10 : 555-1566 . doi : 10.1016/j.camwa.2010.09.039 .
  11. 1 2 تروبيا، كاميرون؛ يارين، ألكسندر ل.؛ فوس، جون ف. (2007). دليل سبرينغر لميكانيكا الموائع التجريبية . سبرينغر. ص 661، 676. ISBN  978-3-540-25141-5.
  12. 1 2 غاراي، بول ن. (1996). كتاب تطبيقات المضخات ( الطبعة الثالثة). برنتيس هول. ص 358. ISBN   978-0-88173-231-3.
  13. ↑ راو، م. أ. (2007). علم ريولوجيا الأغذية السائلة وشبه الصلبة: المبادئ والتطبيقات ( الطبعة الثانية). سبرينغر. ص 8. ISBN   978-0-387-70929-1.
  14. ↑ شرام، لورييه ل. (2005). المستحلبات والرغوات والمعلقات: الأساسيات والتطبيقات . وايلي في سي إتش. ص 173. ISBN  978-3-527-30743-2.
  15. 1 2 3 4 5 6 تشابرا، آر بي (2006). الفقاعات والقطرات والجسيمات في السوائل غير النيوتونية ( الطبعة الثانية). هوبوكين: تايلور وفرانسيس المحدودة. الصفحات 9-10 . ISBN   978-1-4200-1538-6.
  16. ↑ يُعد هذا العرض التوضيحي لمادة الأوبليك موضوعًا شائعًا لمقاطع الفيديو على يوتيوب.
  17. 1 2 "أوبليك: تجربة دكتور سوس العلمية" . instructables.com .
  18. ↑ "مادة لزجة مذهلة" . إكسبلوراتوريوم . 7 مارس 2023.
  19. ↑ روب، ريبيكا (1998). "الطين السحري وتجارب عظيمة أخرى" . كتاب المصادر الكامل للتعلم المنزلي . دار نشر ثري ريفرز. الصفحات 235-236 . ISBN  978-0-609-80109-3.
  20. ↑ غلورش يلتقي أوبليك، مؤرشف في 6 يوليو 2010 في Wayback Machine . قسم الإرشاد بجامعة ولاية أيوا .
  21. ↑ بارا، جوزيبينا (2004). علم ريولوجيا الكراميل (دكتوراه). جامعة نوتنغهام.
  22. ↑ كارترايت، جون (2 سبتمبر 2011). "المجهر يكشف سبب اندفاع الكاتشب" . عالم الكيمياء . الجمعية الملكية للكيمياء.