Идеальная и аномальные жидкости

Идеальная жидкость. В механике жидкости для облегчения решения некоторых задач используется понятие идеальной (совершенной) жидкости. Под идеальной жидкостью понимают воображаемую жидкость, обладающую абсолютной подвижностью (т. е. лишенную вязкости), абсолютно несжимаемую, не расширяющуюся с изменением температуры, абсолютно неспособную сопротивляться разрыву. Выводы, полученные исходя из свойств идеальной жидкости, приходится, как правило, корректировать, вводя поправочные коэффициенты.

Аномальные (неньютоновские) жидкости. Жидкости, которые по своим свойствам отличаются от ньютоновских в силу особенностей их молекулярных структур и внутренних молекулярных движений, называются неньютоновскими, или аномальными. К классу неньютоновских жидкостей относятся вязкопластические, псевдопластические, дилатантные и вязкоупругие жидкости.

Вязкопластические жидкости характеризуются тем, что у них наряду с вязкостью проявляются также пластические свойства, которые заключаются в наличии некоторого предельного напряжения сдвига, после достижения которого и возникает «текучесть» среды. Реологические законы вязкопластических жидкостей открыты Е. Бингамом (1916 г.) и Ф.Н. Шве–довым (1889 г.). Реологическое уравнение вязкопластической жидкости (Бингама–Шведова) имеет следующий вид:

, (1.16)

где К и п — постоянные (п < 1).

Примерами псевдопластических жидкостей являются суспензии асимметричных частиц, растворы высокополимеров.

Дилатантные жидкости также описываются реологическим уравнением Освальда— Рейнера, но в отличие от псевдопластических жидкостей в них кажущаяся вязкость с увеличением напряжения увеличивается, что соответствует п > 1. Примерами дилатантных жидкостей являются суспензии твердых частиц при их высоких концентрациях (например, пульпа — высококонцентрированная смесь песка и воды, транспортируемая по трубам от земснаряда при углублении рек и водоемов; крахмальные клейстеры и клеи).

Рис.??. Кривые течения ньютоновской и неньютоновских жидкостей

Вязкоупругие жидкости обладают свойствами как вязкости, так и упругости. К их числу относятся очень вязкие синтетические материалы, а также слабые растворы полимеров в ньютоновских жидкостях. Иногда даже небольшие по весу добавки полимеров превращают ньютоновские жидкости в неньютоновские, сообщая им специфические вязкоупругие свойства.

В зависимости от характера совместного действия упругости и вязкости различают и реологические модели вязкоупругой среды. Одной из моделей вязкоупругой среды является модель Фойхта, основанная на наложении упругого и вязкого напряжений:

(1.17)

где G — модуль сдвига; ε — деформация сдвига; μ — динамический коэффициент вязкости; du/dy — скорость сдвига.

Тиксотропные жидкости. Механические свойства многих неньютоновских жидкостей существенно зависят не только от скорости деформирования, но и от продолжительности деформирования, а также от предыстории потока. Такие жидкости называются тиксотропными. Некоторые из них — реопектические жидкости — обладают способностью увеличивать жесткость своей структуры при наличии сдвигового движения, другие, наоборот, — разрушать структуру. К первому типу относятся, например, цементные растворы в режиме «цепенения», расплавленные металлы, которые в жидком состоянии представляют собой чисто ньютоновские жидкости, а на начальной стадии затвердевания заполняются мельчайшими кристаллическими образованиями, приближающими их к дилатантным жидкостям.

Тиксотропия может также проявляться в эффекте разрушения жесткой структуры под действием сдвигового деформационного движения, как это имеет место, например, в жидкостях типа кефира. Под влиянием встряхивания кефир, представляющий собой желеобразное тело, свободно выливается из бутылки, а после некоторого времени покоя вновь восстанавливает свою структуру.

Изучением неньютоновских жидкостей занимается специальная наука — реология.