سیال غیرنیوتونی

[amirhossein toranjian]

ویسکوزیته 
نشان داده شد که ویسکوزیته سیالات مختلف، به نوع سیال وابستگی بسیار زیادی دارد. سیال غیر نیوتنی به سیالی مانند خون، رنگ و خامه گفته می‌شود که ویژگی‌های مختلف آن مانند ویسکوزیته، کاملا با سیال نیوتنی که توسط نیوتن معرفی شد، متفاوت است.
نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد، این است که در یک سیال غیر نیوتنی، معادلات مختلفی مانند معادلات ناویر_استوکس که کاربرد زیادی در دینامیک سیالات محاسباتی دارند به شیوه متفاوتی اعمال و محاسبه می‌شوند.
این مطلب ابتدا به صورت دقیق به بیان تفاوت میان سیال غیر نیوتنی و سیال نیوتنی می‌پردازد. در ادامه تعریف جامعی از سیالات غیر نیوتنی ارائه می‌شود و در انتها نیز انواع مختلف سیالات غیر نیوتنی با ذکر مثال و بیان دقیق ویژگی‌های آن‌ها، مورد بررسی قرار می‌گیرد.
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 می گیرد، 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. 

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»  و «تیکسوتروپیک»  هستند. گروه دوم نیز از گروه‌هایی به نام «دیلاتانت» ، «شبه پلاستیک»  و «بینگهام» 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.

رئوپکتیک
سیال‌های رئوپکتیک در صورتی که در طول یک زمان تحت تنش قرار بگیرند، ویسکوزیته آن‌ها افزایش می‌یابد. در واقع می‌توان برای این سیالات مانند جامدات یک حافظه تنشی در نظر گرفت که مقدار ویسکوزیته آن‌ها در یک جریان و با گذشت زمان افزایش می‌یابد.

در واقع بر خلاف مثالی که در بالا بیان شد (محلول آب و نشاسته)، اگر نیرویی به صورت ناگهانی به سیال رئوپکتیک وارد شود، تغییری در سیال ایجاد نمی‌شود و باید مدتی از زمان سپری شود تا اثر آن مشخص گردد و در نتیجه نیروی وارد شده سیال سفت شود و ویسکوزیته آن افزایش پیدا کند. به عنوان مثال برای این گونه از سیال‌ها می‌توان به جوهر پرینتر اشاره کرد.

مثالی دیگر از سیالات رئوپکتیک، خامه است. زمانی که به مقداری از خامه در مدت زمان مناسبی نیرو وارد می‌کنیم و آن را به هم می‌زنیم، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد و سفت می‌شود.

یکی دیگر از نکات مهمی که باید درمورد سیالات رئوپکتیک بیان کرد این است که در این گونه سیالات برای ثابت نگه داشتن نرخ کرنش در طول زمان، به علت افزایش ویسکوزیته باید تنش برشی نیز با گذشت زمان افزایش بیاید.

تیکسوتروپیک

یکی دیگر از سیال‌های غیر نیوتنی که ویسکوزیته آن به زمان وابسته است سیال تیکسوتروپیک است. در واقع این سیالات، خواصی دقیقا مخالف با خواص سیال‌های رئوپکتیک دارند. بنابراین با اعمال نیرو در طول زمان به این نوع از سیالات، ویسکوزیته آن‌ها کاهش می‌یابد و روان‌تر می‌شوند. یکی از مثال‌های بسیار ملموس برای سیال تیکسوتروپیک، عسل است.

زمانی که عسل در مدت زمان طولانی استفاده نشود، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد و زمانی که مدت زمانی به خوبی به هم زده شود روان می‌شود و ویسکوزیته آن کاهش پیدا می‌کند و به راحتی می‌توانیم آن را روی نان خود قرار بدهیم.

شکل زیر شیوه تغییر ویسکوزیته سیالات رئوپکتیک و تیکسوتروپیک، زمانی که نیرو و تنش در طول زمان به آن‌ها وارد می‌شود را به تصویر کشیده است.

همانطور که مشاهده می‌شود زمانی که تنش در طول زمان به سیالات مختلف وارد می‌شود، ویسکوزیته سیالات نیوتنی ثابت باقی می‌ماند و ویسکوزیته سیالات تیکسوتروپیک و رئوپکتیک به ترتیب کاهش و افزایش می‌یابد.

یکی دیگر از نکات مهمی که باید درمورد سیالات تیکسوتروپیک بیان کرد این است که در این گونه سیالات برای ثابت نگه داشتن نرخ کرنش در طول زمان، به علت کاهش ویسکوزیته باید تنش برشی نیز با گذشت زمان کاهش بیاید.

دیلاتانت

برخلاف دو سیال غیر نیوتنی معرفی شده یعنی سیالات تیکسوتروپیک و رئوپکتیک، سیالاتی نیز حضور دارندکه ویسکوزیته آن‌ها تنها به مقدار نیروی وارد شده وابسته است و به زمان اعمال این نیرو بستگی ندارد. یکی از این نوع از سیالات، سیال دیلاتانت است.

در واقع زمانی که ضربه محکم‌تری به سیال دیلاتانت وارد شود، ویسکوزیته آن بیشتر خواهد شد. به عبارت دیگر با افزایش تنش برشی در این نوع از سیالات، گرانروی یا ویسکوزیته افزایش می‌یابد. این رفتار ممکن است در سوسپانسون‌ها اتفاق بیفتد. به عنوان مثال ترکیب «اوبلک»  را در نظر بگیرید. این ترکیب شامل آب و نشاسته ذرت است.

زمانی که این سیال در حالت عادی است و هیچ تنش و نیرویی به آن اعمال نمی‌شود، خواص آن بسیار مشابه با مایعات است و دقیقا همان چیزی است که انتظارش را دارید ولی اگر نیروی زیادی به آن اعمال شود، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد و رفتاری مانند یک جامد از خود نشان می‌دهد.

در واقع در این حالت (هنگام اعمال نیروی زیاد به سیال دیلاتانت) شما می‌توانید روی این سیال راه بروید. از این موضوع برای انجام بسیاری از تفریحات و سرگرمی‌ها (مانند پرش با دوچرخه و دوییدن روی آن) از طریق ایجاد حوزچه‌هایی حاوی این ماده، استفاده می‌شود. دقت کنید که در این حالت، روی این نوع از سیالات متوقف نشوید و سرعت خود را نیز کم نکنید؛ زیرا به راحتی در آن فرو می‌روید. این موضوع در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

شبه پلاستیک

نوع دیگری از سیالات غیر نیوتنی حضور دارند که ویسکوزیته آن‌ها مشابه با حالت دیلاتانت، به زمان اعمال نیرو بستگی ندارد و تنها به اندازه و قدرت این نیرو وابسته است. این سیالات شبه پلاستیک نامیده می‌شوند و هنگام اعمال نیرو، خواصی دقیقا بر عکس خواص سیال دیلاتانت از خود نشان می‌دهند. در واقع هرچه نیروی اعمالی بیشتر باشد، سیال روان‌تر و ویسکوزیته آن کمتر می‌شود.

به عنوان یک مثال ملموس برای سیالات شبه پلاستیک می‌توان سس کچاب را مورد مطالعه قرار داد. این سیال، زمانی که درون ظرف خود قرار دارد، سفت است و با اعمال یک نیرو مانند ضربه یا فشار قوی، روان می‌شود و به راحتی از درون ظرف خارج می‌شود.

شکل بالا نشان می‌دهد که با اعمال تنش به یک سیال سه حالت مختلف ایجاد می‌شود. اگر سیال نیوتنی باشد، ویسکوزیته آن تغییر نمی‌کند. اما با اعمال نیرو و تنش، ویسکوزیته سیالات غیر نیوتنی دیلاتانت و شبه پلاستیک به ترتیب افزایش و کاهش می‌یابند.

نکته مهم دیگری که باید دوباره به آن اشاره کرد این است که، ویسکوزیته هر سه نوع سیال نشان داده شده در شکل بالا (سیال نیوتنی، سیال غیر نیوتنی دیلاتانت و سیال غیر نیوتنی شبه پلاستیک)، به مدت زمانی که تنش اعمال می‌شود بستگی ندارد و تنها به بزرگی این تنش و قدرت آن وابسته است.

بینگهام

نوع دیگری از سیالات نیر حضور دارند که برای جاری شدن و جریان یافتن، نیاز به یک مقدار مشخصی تنش اولیه هستند. در واقع یک آستانه تنش برشی برای آن‌ها تعریف شده که قبل از آنکه میزان تنش برشی به این آستانه برسد، هیچ جریانی دیده نمی‌شود و بعد از آن، سیال شروع به جریان یافتن می‌کند. این سیالات را سیالات پلاستیک می‌نامند. سیال بینگهام به نوعی از سیالات پلاستیک گفته می‌شود که ویسکوزیته آن‌ها ثابت باقی می‌ماند.

به عنوان مثالی از این نوع از سیالات می‌توان به میکرو و نانو کاموپوزیت‌های سیلیکا پلیمری اشاره کرد.

همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌شود، سیالات بینگهام و پلاستیک بینگهام، برای جاری شدن نیاز به یک تنش اولیه دارند و تنش اعمالی بر آن‌ها باید به یک آستانه‌ای برسد تا این نوع سیالات شروع به حرکت کنند. این در حالی است که سایر سیالات یعنی سیالات نیوتنی و سیالات غیر نیوتنی دیلاتانت و شبه پلاستیک، نیاز به رسیدن به آستانه تنش خاصی ندارند.

نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که شیب نمودار بالا، ویسکوزیته را نشان می‌دهد. با افزایش نرخ کرنش برشی و تنش برشی، شیب نمودار سیال دیلاتانت و شبیه پلاستیک (دو سیال غیر نیوتنی) به صورت پیوسته و به ترتیب افزایش و کاهش می‌یابند و  این شیب برای سیال نیوتنی ثابت است. این موضوع در بخش قبل نیز به خوبی نشان داده شد.

بنابراین همانطور که اشاره شد، سیال نیوتنی، سیالی است که ویسکوزیته آن، تنها به دما و فشار سیال بستگی دارد و با اعمال نیرو به سیال نیوتنی ویسکوزیته آن تغییر نمی‌کند. این در حالی است که ویسکوزیته سیال غیر نیوتونی با اعمال نیرو بر آن تغییر می‌کند. همچنین دو دسته از سیالات غیر نیوتنی 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 ویسکوزیته سه دسته دیگر از سیالات غیر نیوتنی یعنی سیالات دیلاتانت، شبه پلاستیک و بینگهام، به زمان اعمال تنش برشی بستگی ندارد و اندازه ویسکوزیته آن‌ها تنها به مقدار و بزرگی نیرو و تنش برشی اعمال شده به سیال، وابسته است.