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Nicht-Newtonsche Fluiddefinition

1930
Wissenschaftler, die in einem Labor mit der Viskosität von Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten experimentieren.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, deren Viskosität sich unter dem Einfluss einer Scherspannung ändert. Im Gegensatz zu einer Newtonschen Flüssigkeit, deren Viskosität konstant ist, werden ihre Fließeigenschaften nicht durch eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung (τ) und Schergeschwindigkeit (γ̇) beschrieben. Diese Abhängigkeit kann sich wie folgt äußern: Scherverdünnung (Die Viskosität nimmt mit zunehmender Belastung ab) oder Scherverdickung (Die Viskosität nimmt mit der Belastung zu).

The fundamental difference between Newtonian and non-Newtonian fluids lies in their response to shear. For a Newtonian fluid, the relationship is linear, defined by Newton’s law of Viskosität: [latex]\tau = \mu \dot{\gamma}[/latex], where [latex]\mu[/latex] is the constant coefficient of viscosity. For non-Newtonian fluids, this relationship is non-linear and can be time-dependent. The apparent viscosity, defined as [latex]\eta = \tau / \dot{\gamma}[/latex], is not a constant but a function of the shear rate itself, [latex]\eta(\dot{\gamma})[/latex].

Dieses Verhalten ist auf die interne Mikrostruktur der Flüssigkeit zurückzuführen, wie z. B. lange Polymerketten, Schwebeteilchen oder Emulsionen. Wenn eine Scherkraft einwirkt, können sich diese Mikrostrukturen ausrichten, verformen oder neu anordnen, wodurch sich der Strömungswiderstand der Flüssigkeit ändert. In einer Polymerlösung (einer scherverdünnenden Flüssigkeit) beispielsweise entwirren sich die wahllos aufgerollten Polymerketten und richten sich unter starker Scherung in Strömungsrichtung aus, wodurch die innere Reibung und damit die Viskosität verringert wird. Umgekehrt können sich in einer konzentrierten Suspension wie Maisstärke in Wasser (einer scherverdickenden Flüssigkeit) die Teilchen bei starker Scherung zusammenballen, was die Viskosität drastisch erhöht.

Die Untersuchung dieser komplexen Fließverhalten wird als Rheologie bezeichnet. Das Verständnis der nicht-Newtonschen Eigenschaften einer Flüssigkeit ist in vielen industriellen Prozessen von entscheidender Bedeutung, vom Pumpen und Mischen bis hin zu Beschichtung und Formgebung, da die Verarbeitungsbedingungen das Verhalten des Materials direkt beeinflussen.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Mechanik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Isaac Newtons Gesetz der Viskosität (1687)
  • Studien zu Kolloiden und Suspensionen von Thomas Graham (1860er Jahre)
  • Entwicklung von Viskosimetrietechniken
  • Frühe Beobachtungen von anomalem Fließen in Materialien wie Tonschlämmen und Farben

Anwendungen

  • Lebensmittelverarbeitung (zB Ketchup, Mayonnaise)
  • Kosmetika (z. B. Cremes, Nagellack)
  • Bohrschlämme in der Ölindustrie
  • flüssige Körperpanzerung
  • Farbenherstellung

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • selbstheilende Straßenoberflächen, die sich bei einem Aufprall verdicken, um Risse zu füllen
  • adaptive hydraulische Dämpfer für Fahrzeuge, die sich je nach Straßenbedingungen versteifen
  • intelligente Tinten für den 3D-Druck, die die Viskosität für eine höhere Auflösung ändern
  • injizierbare Arzneimittelabgabesysteme, die in der Spritze flüssig, im Körper jedoch gelartig sind
  • feuerhemmende Beschichtungen, die sich bei Hitze verdicken und eine isolierende Schicht bilden
  • intelligente Schmierstoffe für Maschinen, die die Viskosität an Hochdruckstellen erhöhen
  • konforme Abschirmung für Elektronik, die bei Stößen verhärtet
  • reconfigurable architectural materials that can be temporarily liquefied for molding
Related to: non-newtonian fluid, viscosity, shear stress, shear rate, rheology, fluid dynamics, Scherverdünnung, Scherverdickung.

Historischer Kontext

Nicht-Newtonsche Fluiddefinition

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(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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