10-08-2020, 04:03 PM
تفاوت سیال نیوتنی و سیال غیر نیوتنی
در زندگی روزمره، دو سیال که همه ما به صورت عمده با آن‌ها سر و کار داریم، آب و هوا هستند. آب غلظت بیشتری نسبت به هوا دارد و به راحتی جریان می‌یابد و زمانی که در یک ظرف قرار می‌گیرد، به شکل ظرف خود در می‌آید. این سیالات به افتخار فیزیکدان و ریاضیدان معروف اسحاق نیوتون به نام «سیالات نیوتنی» (Newtonian Fluids) معروف هستند.
یکی از دلایلی که دو سیال آب و هوا را به عنوان سیال نیوتنی معرفی می‌کند، این است که اگر دما و فشار این نوع از سیالات تغییر نکند، «ویسکوزیته» (Viscosity) آن‌ها ثابت باقی می‌ماند. در مطلب ویسکوزیته نشان دادیم که ویسکوزیته، مقاومت سیال را نسبت به جاری شدن نشان می‌دهد.
یکی دیگر از ویژگی‌های سیالات نیوتنی مانند آب این است که ویسکوزیته آن‌ها تحت فشار (زمانی که نیرویی به آن سیال اعمال می‌شود) تغییر نمی‌کند. برای مثال انداختن یک سنگ در آب و یا شوت کردن یک توپ در هوا، ویسکوزیته (لزجت یا گرانروی) آب و هوا را تغییر نمی‌دهد. بنابراین می‌توان این دو سیال را به عنوان دو سیال نیوتنی معرفی کرد.
همانطور که اشاره شد، ویسکوزیته در یک سیال نیوتنی تنها به دما و فشار بستگی دارد و به نیرویی که به آن اعمال می‌شود وابسته نیست. اما در برخی دیگر از سیالات، مقدار ویسکوزیته سیال به نیروی وارد شده به آن سیال بستگی دارد. این نوع از سیالات، سیالات غیر نیوتنی نامیده می‌شوند.
نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که در سیالات نیوتنی، رابطه میان تنش و نرخ کرنش به صورت خطی است. مطلب بنابراین رابطه میان تنش و نرخ کرنش برای یک سیال نیوتنی را می‌توان به صورت رابطه زیر نمایش داد.
![[تصویر: Non-Newtonian-Fluid4.png]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/10/Non-Newtonian-Fluid4.png)
همانطور که در رابطه بالا مشاهده می‌شود، تنش برشی در یک سیال نیوتنی با نرخ کرنش به صورت خطی تغییر می‌کند. ولی رابطه آن برای سیالات غیر نیوتنی به صورت خطی نیست. توجه کنید که در رابطه بالا، نرخ کرنش برشی با گرادیان سرعت نشان داده شده است.
سیال غیر نیوتنی
در قسمت قبل اشاره شد که سیال نیوتنی، سیالی است که ویسکوزیته آن، تنها به دما و فشار سیال بستگی داشته باشد و با اعمال نیرو به سیال نیوتنی (در دما و فشار ثابت)، ویسکوزیته آن تغییر نمی‌کند. این در حالی است که ویسکوزیته سیال غیر نیوتنی با اعمال نیرو بر آن تغییر می‌کند.
به عنوان یک مثال از سیالات غیر نیوتنی می‌توان به محلول آب و نشاسته اشاره کرد. زمانی که به صورت عادی، دست خود را با سرعت بسیار آهسته به این محلول وارد می‌کنیم، محلول خواصی مانند سیال از خود نشان می‌دهد. در واقع ویسکوزیته آن به حدی است که دست ما به راحتی وارد آن می‌شود. این موضوع به خوبی در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
![[تصویر: Non-Newtonian-Fluid3.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/10/Non-Newtonian-Fluid3.jpg)
اما زمانی که با یک ضربه محکم مانند مشت به محلول آب و نشاسته مطابق شکل زیر ضربه وارد می‌کنیم، سطح آن مانند یک جامد رفتار می‌کند. بنابراین در این حالت دست ما به داخل محلول وارد نمی‌شود. این موضوع در شکل زیر به خوبی به تصویر کشیده شده است. در واقع با وارد کردن ضربه و اعمال نیرو به این محلول، ویسکوزیته آن افزایش پیدا کرده و به حالت جامد نزدیک شده است. بنابراین در این شرایط دست ما وارد محلول نمی‌شود.
![[تصویر: Non-Newtonian-Fluid1.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/10/Non-Newtonian-Fluid1.jpg)
از این ویژگی سیالات غیر نیوتنی برای انجام تفریحات مختلف مانند بازی فوتبال روی یک سیال غیر نیوتنی و یا انجام ورزش‌های مختلف می‌توان استفاده کرد. همچنین دستگاه‌های مختلفی نیز با استفاده از این ویژگی سیالات غیر نیوتنی، عملکرد بهتر و جالبی از خود نشان می‌دهند.
به صورت کلی می‌توان بیان کرد که سیالات غیر نیوتنی، دو دسته مختلف را در بر می‌گیرند. دسته اول، سیالاتی هستند که ویسکوزیته و لزجت آن‌ها به زمان اعمال نیرو وابسته است و دسته دوم شامل سیالاتی هستند که ویسکوزیته و لزجت آن‌ها مستقل از زمان اعمال نیرو است.
گروه اول در دسته بندی بالا، شامل سیالات «رئوپکتیک» (Rheopectic) و «تیکسوتروپیک» (Thixotropic) هستند. گروه دوم نیز از گروه‌هایی به نام «دیلاتانت» (Dilatant)، «شبه پلاستیک» (Pseudoplastic) و «بینگهام» (Bingham) تشکیل می‌شوند. در بخش‌های بعد به صورت جامع به بررسی انواع مختلف سیالات غیر نیوتنی و ویژگی‌های آن‌ها پرداخته می‌شود.
همانطور که اشاره شد، دو دسته اول یعنی رئوپکتیک و تیکسوتروپیک، سیالاتی هستند که به زمان وابسته هستند و ویسکوزیته آن‌ها هنگام وارد شدن یک نیرو و تنش برشی در طول زمان، تغییر می‌کند. این در حالی است که سه دسته بعدی یعنی سیالات دیلاتانت، شبه پلاستیک و بینگهام ویسکوزیته مستقل از زمان اعمال تنش برشی دارند و تنها اندازه و بزرگی نیرو و تنش برشی باعث تغییر ویسکوزیته آن‌ها می‌شود
در زندگی روزمره، دو سیال که همه ما به صورت عمده با آن‌ها سر و کار داریم، آب و هوا هستند. آب غلظت بیشتری نسبت به هوا دارد و به راحتی جریان می‌یابد و زمانی که در یک ظرف قرار می‌گیرد، به شکل ظرف خود در می‌آید. این سیالات به افتخار فیزیکدان و ریاضیدان معروف اسحاق نیوتون به نام «سیالات نیوتنی» (Newtonian Fluids) معروف هستند.
یکی از دلایلی که دو سیال آب و هوا را به عنوان سیال نیوتنی معرفی می‌کند، این است که اگر دما و فشار این نوع از سیالات تغییر نکند، «ویسکوزیته» (Viscosity) آن‌ها ثابت باقی می‌ماند. در مطلب ویسکوزیته نشان دادیم که ویسکوزیته، مقاومت سیال را نسبت به جاری شدن نشان می‌دهد.
یکی دیگر از ویژگی‌های سیالات نیوتنی مانند آب این است که ویسکوزیته آن‌ها تحت فشار (زمانی که نیرویی به آن سیال اعمال می‌شود) تغییر نمی‌کند. برای مثال انداختن یک سنگ در آب و یا شوت کردن یک توپ در هوا، ویسکوزیته (لزجت یا گرانروی) آب و هوا را تغییر نمی‌دهد. بنابراین می‌توان این دو سیال را به عنوان دو سیال نیوتنی معرفی کرد.
همانطور که اشاره شد، ویسکوزیته در یک سیال نیوتنی تنها به دما و فشار بستگی دارد و به نیرویی که به آن اعمال می‌شود وابسته نیست. اما در برخی دیگر از سیالات، مقدار ویسکوزیته سیال به نیروی وارد شده به آن سیال بستگی دارد. این نوع از سیالات، سیالات غیر نیوتنی نامیده می‌شوند.
نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که در سیالات نیوتنی، رابطه میان تنش و نرخ کرنش به صورت خطی است. مطلب بنابراین رابطه میان تنش و نرخ کرنش برای یک سیال نیوتنی را می‌توان به صورت رابطه زیر نمایش داد.
همانطور که در رابطه بالا مشاهده می‌شود، تنش برشی در یک سیال نیوتنی با نرخ کرنش به صورت خطی تغییر می‌کند. ولی رابطه آن برای سیالات غیر نیوتنی به صورت خطی نیست. توجه کنید که در رابطه بالا، نرخ کرنش برشی با گرادیان سرعت نشان داده شده است.
سیال غیر نیوتنی
در قسمت قبل اشاره شد که سیال نیوتنی، سیالی است که ویسکوزیته آن، تنها به دما و فشار سیال بستگی داشته باشد و با اعمال نیرو به سیال نیوتنی (در دما و فشار ثابت)، ویسکوزیته آن تغییر نمی‌کند. این در حالی است که ویسکوزیته سیال غیر نیوتنی با اعمال نیرو بر آن تغییر می‌کند.
به عنوان یک مثال از سیالات غیر نیوتنی می‌توان به محلول آب و نشاسته اشاره کرد. زمانی که به صورت عادی، دست خود را با سرعت بسیار آهسته به این محلول وارد می‌کنیم، محلول خواصی مانند سیال از خود نشان می‌دهد. در واقع ویسکوزیته آن به حدی است که دست ما به راحتی وارد آن می‌شود. این موضوع به خوبی در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
اما زمانی که با یک ضربه محکم مانند مشت به محلول آب و نشاسته مطابق شکل زیر ضربه وارد می‌کنیم، سطح آن مانند یک جامد رفتار می‌کند. بنابراین در این حالت دست ما به داخل محلول وارد نمی‌شود. این موضوع در شکل زیر به خوبی به تصویر کشیده شده است. در واقع با وارد کردن ضربه و اعمال نیرو به این محلول، ویسکوزیته آن افزایش پیدا کرده و به حالت جامد نزدیک شده است. بنابراین در این شرایط دست ما وارد محلول نمی‌شود.
از این ویژگی سیالات غیر نیوتنی برای انجام تفریحات مختلف مانند بازی فوتبال روی یک سیال غیر نیوتنی و یا انجام ورزش‌های مختلف می‌توان استفاده کرد. همچنین دستگاه‌های مختلفی نیز با استفاده از این ویژگی سیالات غیر نیوتنی، عملکرد بهتر و جالبی از خود نشان می‌دهند.
به صورت کلی می‌توان بیان کرد که سیالات غیر نیوتنی، دو دسته مختلف را در بر می‌گیرند. دسته اول، سیالاتی هستند که ویسکوزیته و لزجت آن‌ها به زمان اعمال نیرو وابسته است و دسته دوم شامل سیالاتی هستند که ویسکوزیته و لزجت آن‌ها مستقل از زمان اعمال نیرو است.
گروه اول در دسته بندی بالا، شامل سیالات «رئوپکتیک» (Rheopectic) و «تیکسوتروپیک» (Thixotropic) هستند. گروه دوم نیز از گروه‌هایی به نام «دیلاتانت» (Dilatant)، «شبه پلاستیک» (Pseudoplastic) و «بینگهام» (Bingham) تشکیل می‌شوند. در بخش‌های بعد به صورت جامع به بررسی انواع مختلف سیالات غیر نیوتنی و ویژگی‌های آن‌ها پرداخته می‌شود.
همانطور که اشاره شد، دو دسته اول یعنی رئوپکتیک و تیکسوتروپیک، سیالاتی هستند که به زمان وابسته هستند و ویسکوزیته آن‌ها هنگام وارد شدن یک نیرو و تنش برشی در طول زمان، تغییر می‌کند. این در حالی است که سه دسته بعدی یعنی سیالات دیلاتانت، شبه پلاستیک و بینگهام ویسکوزیته مستقل از زمان اعمال تنش برشی دارند و تنها اندازه و بزرگی نیرو و تنش برشی باعث تغییر ویسکوزیته آن‌ها می‌شود