سیال نیوتونی و غیر نیوتونی | هوافضای جوان

سیال نیوتونی و غیر نیوتونی

بیش از ۷۰ درصد از سطح کره زمین را آب پوشانده است. اتمسفر اطراف ما، گازهای طبیعی و آبی که مینوشیم، تقریبا همه ی مایعاتی که با آنها سر و کار داریم، همگی در یک امر با یکدیگر مشترک هستند. این مایعات همگی رفتار یکسانی دارند. منظور از رفتار، واکنش این مواد به نیرو و شتاب اعمال شده می باشد. به عنوان مثال، هنگام لمس آهن ما انتظار درک سردی خاص و سفتی بسیار زیادی را داریم، از شیشه انتظار سطحی صاف، از سنگ انتظار سنگینی و از دست زدن به مایعات، انتظار خیس شدن و حالت بی وزنی خاصی را داریم. اما همه ی مایعات این حس خاص را به ما نمی دهند، فقط مایعاتی که در دسته ی نیوتونی جای میگیرند این حس را به ما می دهند. مایعاتی وجود دارند که رفتار کاملا رندم (تصادفی) و عجیب، از نظر ما، از خود نشان می دهند که به آنها سیال غیر نیوتونی می گویند. در این نوشته ما سعی کرده ایم این دسته بندی از سیالات را تشریح کنیم و رفتار عجیب سیالات غیر نیوتونی را توضیح دهیم. با ما همراه باشید..

 

در نگاه اول این تصویر به نظر سنگ های کنار رودخانه می آیند، اما در واقع اینها شکلات های خوشمزه ای هستند که به شکل سنگ های سفت و سخت ساخته شده اند. سیالات غیر نیوتونی نیز مانند این شکلات ها ظاهر مشابهی با سیالات نیوتونی دارند اما در عمل رفتار آنها متفاوت است.

 

بیانی از سیال نیوتونی

ذرات تشکیل دهنده ی سیال همواره در حال حرکت و جابه جایی می باشند. یک محفظه ی مکعبی پر از سیال ساکن را در نظر بگیرید. اگر انگشت خود را بر سطح آب بکشید، طبق شرایط مرزی بدون لغزش، یک لایه از سیال به انگشت شما می چسپد و با سرعتی که انگشت شما در حال حرکت است، این لایه نیز حرکت می کند. به هنگام اعمال این نیرو، در راستای سطح آب لایه هایی از ذرات ریز مایع در حال حرکت تشکیل می شود. این لایه ها با سرعت های مختلف روی همدیگر می لغزند و سرعت هر لایه با لایه ی اطراف خود متفاوت است. اگر محفظه به اندازه ی کافی عمق داشته باشد. به لایه ای میرسیم که سرعت آن صفر می باشد. اگر تغییر سرعت از لایه ی چسپیده به انگشت تا لایه ای که ساکن است، به صورت خطی باشد، سیال از قانون لزجت نیوتون پیروی می کند و آن را سیال نیوتونی می نامند. اگر تغییر سرعت به شکلی غیر خطی باشد، سیال غیر نیوتونی است. سیال نیوتونی به خاطر مطالعات فیزیکدان انگلیسی، اسحاق نیوتون، در زمینه ی سیالات نام گذاری شد. ایشان اولین فردی بودند که از معادلات دیفرانسیل برای مدل سازی رفتار سیال تحت نیروی تنش برشی استفاده کردند.

 

این تصویر یک سیال نیوتونی عبوری بین دو صفحه ی تخت می باشد که صفحه ی بالایی با سرعت v در راستای فلش در حال حرکت است. هر کدام از فلش های داخل مثلث نشان دهنده ی سرعت یک لایه از سیال می باشد. اگر سیال نیوتونی باشد، مانند این تصویر کاهش سرعت از بالا به پایین به صورت خطی و با یک آهنگ خاص خواهد بود.

 

ساده زیستی، انتخاب طبیعت

اگر رفتار سیال را با معادلات دیفرانسیل ریاضی مدل کنیم، سیال نیوتونی ساده ترین شکل معادله ی دیفرانسیل، یعنی معادله دیفرانسیل خطی، را به خود می گیرد. جالب این است که انتخاب ساده ترین مدل ریاضی برای سیال نیوتونی اتفاقی نیست و در بسیاری از پدیده های فیزیکی دنیا این اتفاق تکرار شده است. این پدیده ها به راحتی می توانستند رفتار های متفاوتی داشته باشند، اما در انتها چیزی که ما میبینیم، نتیجه ی انتخاب کاملا رندم طبیعت بوده است. گویی دنیا همیشه ساده ترین رفتار را برای بیان پدیده های مختلف انتخاب می کند. مثال های دیگری از انتخاب ساده ی طبیعت، پیروی تقریبا همه ی داده های دنیا از نمودار ساده ی توزیع گاوسی (توزیع نرمال یا نمودار زنگوله ای)، تصویر زیر، و یا پیروی از مدل رشد مالتوزیان، تصویر پایین تر، مدلی برای تفسیر نحوه ی رشد یک پدیده، می باشد.

 

نمودار زنگوله ای. باور بر این است که همه ی داده های دنیا، از ضریب هوش، مقدار سن، مقدار ثروت و غیره از این نمودار ساده پیروی می کند. به عنوان مثال اگر سن را در نظر بگیریم، انتهای نمودار مربوط به سن های بالا (مثلا بالا تر از ۱۰۰ سال)، ابتدای نمودار مربوط به سن های کودکی و خرد سالی و مرکز نمودار به میانگین عمر جامعه یعنی حدود ۷۰ سال مربوط است.

 

خط نقطه چین نمودار داده ی واقعی مربوط به رشد می باشد، خط ثابت نمودار مالتوزیان را نشان می دهد. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید، رشد جمعیت تا نقطه ای از رفتار نمودار مالتوزیان، که ساده ترین نوع از تابع نمایی است، پیروی می کند. این امر، پیروی پدیده های طبیعی از ساده ترین مدل های ریاضی را نشان می دهد.

 

ویدیوی زیر رفتار سیال نیوتونی و غیر نیوتونی را در شرایط مختلف به نمایش در آورده است. با دیدن این ویدیو، می توان رفتار این دو سیال را با همدیگر مقایسه کرد و تفاوت های آنها را بهتر بشناسیم. در این ویدیو، واکنش آب و اوبلیک (نوعی سیال غیر نیوتونی) را در شرایط مختلفی همچون اثر نیروی جاذبه، اثر میز لرزان، نحوه ی غرق شدن جسم جامد، اعمال ضربه و شلیک گلوله را نشان داده است.

 

 

 

سیالاتی مانند آب، گاز های طبیعی، الکل و غیره جزو سیالات نیوتونی محسوب می شوند. همه ی آنها از یک الگوی رفتاری خاصی پیروی می کنند که ما با آنها آشنا هستیم. اما مثال هایی از سیالات غیر نیوتونی سس کچاپ، خمیر دندان، نشاسته، عسل، خون و رنگ می باشند که همگی رفتار های متفاوتی را از خود نشان می دهند.

بعضی از سیالات غیر نیوتونی، به دلیل رفتار غیر عادی آنها، کاربرد های سرگرمی و هنری دارد. مثال هایی از این دست، استفاده از خمیر پودر ذرت روی اسپیکر، و یا راه رفتن روی سیال غیر نیوتونی می باشد. شکل زیر، تصویری از فوتبال روی سیال غیر نیوتونی را نشان می دهد که جنبه ی تفریحی دارد.

 

تصویری از بازی فوتبال روی سیال غیر نیوتونی. برای فرو نرفتن در این سیال باید همیشه در حال حرکت بود. ایستادن روی این مایع باعث فرو رفتن داخل آن می شود.

 

مثال دیگری از این سیالات گل جادویی و یا Magic Mud است. این سیال از ترکیب سیب زمینی و آب تونیک بدست می آید و ویژگی های فیزیکی عجیبی دارد. با اعمال نیرو به این سیال، مانند خمیر و جسم جامد رفتار می کند، اما با حذف نیروها شکل سیال مانند خود را نشان می دهد. در ویدیوی زیر، نحوه ی ساخت و رفتار این سیال را می توان دید. این ویدیو را می توان به عنوان یک پروژه ی علمی خانگی انجام داد و از فرایند ساخت آن لذت برد.

 

 

منابع

https://blog.craneengineering.net/what-are-newtonian-and-non-newtonian-fluids

https://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid

https://www.businessinsider.com/walk-on-water-non-newtonian-fluid-2014-1

 

 

 


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.