Nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind Substanzen mit erstaunlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Unter dem Anschein von Flüssigkeiten, die fast so flüssig wie Wasser sind, hat diese Art von Flüssigkeit die Eigenschaft, fest zu werden, wenn man einen ausreichend starken Druck auf sie ausübt.

Worum geht es?

In der Chemie sind Fluide perfekt verformbare Medien, die gasförmig (kompressible Fluide), flüssig (wenig kompressible Fluide) oder keines von beiden (unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen) sein können.

Die Fluidmechanik ist der Zweig der Physik, der das Verhalten von Flüssigkeiten untersucht, wenn man sie Kräften oder Spannungen aussetzt.

Je nach ihrer Viskosität unterscheidet man zwei große Familien von Flüssigkeiten: die sogenannten 'newtonschen' und die 'nicht-newtonschen' Flüssigkeiten.

Die verschiedenen Arten von Flüssigkeiten

Newtonsche' Flüssigkeiten wie Wasser, Luft und die meisten Gase haben eine konstante Viskosität oder eine Viskosität, die sich nur in Abhängigkeit von der Temperatur ändern kann.

Im Gegensatz dazu haben 'nicht-newtonsche' Flüssigkeiten die Besonderheit, dass sie eine variable Viskosität haben, die von der Geschwindigkeit und den Spannungen, denen sie ausgesetzt sind, abhängt.
Mit anderen Worten: Die Verformung dieser Art von Flüssigkeit ist nicht direkt proportional zu der Kraft, die auf sie ausgeübt wird.

Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Der nasse Sand, den man am Meeresstrand findet, ist ein gutes Beispiel für die Besonderheit von nicht-newtonschen Flüssigkeiten.
Wenn man nämlich auf nassen Sand schlägt, weist er die Konsistenz eines Festkörpers auf, während er sich bei sanftem Druck wie eine Paste verhält.

Ein kleines, ungefährliches Experiment, das man zu Hause durchführen kann, besteht darin, Wasser und Maisstärke (Maizena) zu mischen.
Wenn man zwei Teile Stärke langsam in einen Teil Wasser einrührt, erhält man tatsächlich eine Paste, deren Viskosität sich mit der angewandten Spannungsrate ändert.
Die entstandene Mischung wird sich wie ein Feststoff verhalten, wenn man einen Löffel kräftig in die Oberfläche drückt, aber wie eine Flüssigkeit, wenn man den Löffel langsam in die Oberfläche einführt.

Das folgende Video zeigt, dass eine Person, die sich schnell oder mit ausreichender Kraft auf der Oberfläche einer nicht-newtonschen Flüssigkeit bewegt, buchstäblich auf einer solchen Flüssigkeit laufen kann.

Forschung und Anwendung von Newtonschen Flüssigkeiten

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind Gegenstand umfangreicher Grundlagenforschung, nicht nur, weil sie in der Natur häufig vorkommen, sondern auch im Hinblick auf mögliche Anwendungen wie die Herstellung von Kugelsicheren Westen.
Sie sind ein interessantes Material aufgrund ihrer Fähigkeit, den Aufprall eines Projektils mit hoher Geschwindigkeit zu absorbieren, während sie gleichzeitig flexibel genug bleiben, um ohne Beschwerden getragen zu werden.
Der Zweig der Physik, der sich mit ihnen befasst, wird als 'Rheologie' bezeichnet.

Zusammenfassung über eine nicht-newtonsche Flüssigkeit

Eine Flüssigkeit, die vom Newtonschen Gesetz der Viskosität - konstante Viskosität unabhängig von der Belastung - abweicht, wird als nicht-newtonsche Flüssigkeit bezeichnet. Wenn sie einer Kraft ausgesetzt werden, kann sich die Viskosität nicht-newtonscher Flüssigkeiten ändern, indem sie entweder flüssiger oder fester werden. Ketchup ist z. B. eine nichtnewtonsche Flüssigkeit, weil sie durch Schütteln flüssiger wird. Viele Salzlösungen, geschmolzene Polymere, Pudding,[1] Zahnpasta, Stärkesuspensionen, Maisstärke, Farbe, Blut, Butterschmalz und Shampoo sind Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten.

Meistens hängt die Viskosität nicht-newtonscher Flüssigkeiten von der Scherrate oder der Scherratengeschichte (die allmähliche Verformung durch Scher- oder Zugspannungen) ab. Dennoch zeigen einige nicht-newtonsche Flüssigkeiten, deren Viskosität von der Scherrate unabhängig ist, weiterhin typische Spannungsdifferenzmuster oder andere nicht-newtonsche Verhaltensweisen. In einer newtonschen Flüssigkeit dient der Viskositätskoeffizient als Proportionalitätskonstante, und die Beziehung zwischen Scherspannung und Scherrate ist linear und verläuft durch den Ursprung. Die Beziehung zwischen Scherspannung und Scherrate unterscheidet sich in einer nicht-newtonschen Flüssigkeit. Es kann sogar eine zeitabhängige Viskosität in der Flüssigkeit beobachtet werden. Daher ist es nicht möglich, einen konstanten Viskositätskoeffizienten zu bestimmen.

Obwohl die Viskosität in der Strömungsmechanik häufig verwendet wird, um die Schereigenschaften eines Fluids zu erklären, lassen sich nichtnewtonsche Fluide mit diesem Konzept nicht immer angemessen beschreiben. Sie können effektiver untersucht werden, indem man eine Reihe zusätzlicher rheologischer Eigenschaften verwendet, die die Tensoren der Spannung und der Dehnungsgeschwindigkeit in vielen Strömungssituationen, wie oszillierende Scherung oder Dehnungsströmung, miteinander verbinden und die mit verschiedenen Instrumenten oder Rheometern bestimmt werden. Die konstitutiven Gleichungen mit Tensorwerten, die häufig in der kontinuumsmechanischen Forschung verwendet werden, sind ein überlegenes Werkzeug zum Verständnis dieser Eigenschaften.