非牛顿流体的原理可以从以下几个方面进行通俗解释:
一、核心定义
非牛顿流体是指其剪应力与剪切应变率之间 不满足线性关系的流体。具体来说:
牛顿流体:剪应力与剪切应变率呈线性关系(如水、酒精),其流变曲线通过原点(应力-应变率图为直线)。
非牛顿流体:剪应力与剪切应变率关系曲线弯曲,不通过原点,表现出 非线性特性。
二、粘度变化特性
剪切增稠(切力增稠) 部分非牛顿流体(如含增稠剂的塑料糊)在剪切速率增加时粘度升高,表现为“越剪越稠”。例如,用勺子快速搅拌蛋糕面糊时,面糊会逐渐变稠。
剪切稀化
另一些非牛顿流体(如玉米淀粉溶液)在剪切速率增加时粘度降低,呈现“越剪越稀”的特性。当快速冲击时,淀粉颗粒因润滑不足形成固态网络,流动阻力显著增加。
三、微观机制
非牛顿流体的粘度变化主要与分子间相互作用力相关:
分子间作用力不稳定: 非牛顿流体的分子间距离和相互作用力随剪切速率变化,导致粘度波动。 记忆效应
四、典型应用与特性
生物流体:如血液、淋巴液等,其粘度变化对生理功能至关重要。
工业材料:塑料熔体、涂料等常通过添加增稠剂实现非牛顿流体的特性。
反直觉现象:例如,玉米淀粉溶液在静止时流动性良好,但快速搅拌后粘度剧增,类似“吃软不吃硬”。
总结
非牛顿流体的核心在于其粘度与剪切速率的 非线性关系,这种特性源于分子间复杂的作用力机制。与牛顿流体相比,非牛顿流体在工程、生物等领域的应用更具灵活性,但也带来了预测和控制的挑战。