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Das Newtonsche Gesetz der Viskosität

1687
  • Isaac Newton
Viskosimeter in einem Labor für Strömungsmechanik zur Messung der Viskosität.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Scherung einer Newtonschen Flüssigkeit Stress ist direkt proportional zur Schergeschwindigkeit BeanspruchungDiese lineare Beziehung wird durch das Newtonsche Viskositätsgesetz definiert: [latex]tau = mu frac{du}{dy}[/latex], wobei [latex]tau[/latex] die Scherspannung, [latex]mu[/latex] die dynamische Viskosität (eine Proportionalitätskonstante) und [latex]frac{du}{dy}[/latex] die Scherrate bzw. der Geschwindigkeitsgradient ist.

Newtons Viskositätsgesetz legt die grundlegende konstitutive Gleichung Für eine Newtonsche Flüssigkeit postuliert die Theorie, dass bei einer einfachen Scherströmung die Kraft pro Flächeneinheit (Scherspannung, τ), die erforderlich ist, um eine Flüssigkeitsschicht relativ zu einer anderen zu bewegen, proportional zur Änderungsrate der Geschwindigkeit mit dem Abstand senkrecht zur Strömungsrichtung (dem Geschwindigkeitsgradienten oder der Scherrate, du/dy) ist. Die Proportionalitätskonstante μ wird als dynamische Viskosität bezeichnet, eine Materialeigenschaft, die den Fließwiderstand der Flüssigkeit beschreibt. Für eine Newtonsche Flüssigkeit ist diese Viskosität konstant und hängt nur von Temperatur und Druck ab, nicht aber von den auf sie wirkenden Kräften.

Dieses lineare Modell ist eine Idealisierung, beschreibt aber viele gängige Flüssigkeiten wie Wasser, Luft und einfache Öle unter typischen Bedingungen präzise. Das Konzept ist grundlegend für die Fluiddynamik und ermöglicht die Herleitung der Navier-Stokes-Gleichungen, welche die Bewegung viskoser Flüssigkeiten beschreiben. Das Gesetz besagt, dass eine Newtonsche Flüssigkeit sofort zu fließen beginnt, sobald eine Scherspannung – egal wie klein – einwirkt. Dies steht im Gegensatz zu nicht-Newtonsch Flüssigkeiten, die scherverdünnendes oder scherverdickendes Verhalten zeigen können oder eine Mindestfließgrenze vor dem Fließen benötigen.

Historisch gesehen schlug Isaac Newton diese Beziehung in seiner 1687 erschienenen *Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica* vor. Er drückte sie nicht in der modernen Differentialform aus, sondern beschrieb das Konzept eines „Schmierbarkeitsdefekts“ oder innerer Reibung in Flüssigkeiten. Die moderne mathematische Formulierung wurde später von Mathematikern und Physikern wie Cauchy und Stokes entwickelt, die sie in einen allgemeineren Rahmen der Kontinuumsmechanik integrierten.

UNESCO Nomenclature: 2206
- Strömungsmechanik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Evangelista Torricellis Arbeit zum Flüssigkeitsausfluss (Torricellis Gesetz)
  • Blaise Pascals Grundsätze der Hydrostatik (Pascalsches Gesetz)
  • Isaac Newtons Bewegungsgesetze
  • Entwicklung der Infinitesimalrechnung durch Newton und Leibniz

Anwendungen

  • Entwurf von Pipelines für den Wasser- und Öltransport
  • Aerodynamische Analyse von Flügeln und Fahrzeugkarosserien
  • Schmiertheorie für Lager und Getriebe
  • Modellierung von Wettermustern und Meeresströmungen
  • chemischer Prozess Konstruktion von Misch- und Reaktionsgefäßen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Mikrofluidische Geräte mit vorhersagbarem Fluss für Lab-on-a-Chip-Diagnostik
  • intelligente Schmierstoffe mit durch Magnetfelder einstellbarer Viskosität
  • fortschrittliche CFD-Solver (Computational Fluid Dynamics) für komplexe Geometrien
  • self-cleaning surfaces using controlled fluid sheeting
  • energieeffiziente Hydrauliksysteme mit niedrigviskosen synthetischen Flüssigkeiten
  • Ultraschall- sensors for real-time viscosity measurement in industrial processes
  • Bioreaktoren mit optimierter Durchmischung für das Zellkulturwachstum
  • neuartige Lebensmittelverarbeitungstechniken basierend auf präziser Durchflusskontrolle
Related to: newton’s law of viscosity, shear stress, shear rate, dynamic viscosity, newtonian fluid, fluid dynamics, constitutive equation, velocity gradient.

Historischer Kontext

Das Newtonsche Gesetz der Viskosität

1650
1672
1687
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1738
1750
1757
1650
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1678
1687
1687
1738
1750
1785

(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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