视频字幕
流体是一类重要的物质状态,具有连续性和可流动性等基本特征。牛顿流体是最简单的流体类型,其剪切应力与剪切速率成正比,比例常数就是粘度。水、空气、蜂蜜都是典型的牛顿流体,它们的粘度虽然不同,但都遵循牛顿粘性定律。
牛顿粘性定律是流体力学的基本定律,数学表达式为τ等于μ乘以du/dy。其中τ是剪切应力,μ是动力粘度,du/dy是剪切速率。当上板以恒定速度移动时,流体内部形成线性速度分布,剪切应力与剪切速率成正比。不同牛顿流体的粘度差异很大,水的粘度约为1毫帕秒,而蜂蜜的粘度可达10帕秒。
非牛顿流体是不遵循牛顿粘性定律的流体,其表观粘度随剪切速率而变化。与牛顿流体不同,非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间不是简单的线性关系。从流变曲线可以看出,剪切变稀流体的粘度随剪切速率增加而降低,剪切变稠流体则相反,而宾汉流体需要超过屈服应力才开始流动。非牛顿流体主要分为时间无关型和时间相关型两大类。
时间无关型非牛顿流体主要有三种类型。剪切变稀流体如番茄酱和油漆,其粘度随剪切速率增加而降低,这使得油漆在刷涂时容易流动,静止时保持形状。剪切变稠流体如淀粉悬浮液,粘度随剪切速率增加而增大,快速搅拌时变得很稠。宾汉流体如牙膏和泥浆,存在屈服应力,只有当外力超过这个临界值时才开始流动,之后表现为线性关系。
时间相关型非牛顿流体的粘度不仅与剪切速率有关,还随时间变化。触变性流体在恒定剪切下粘度随时间降低,这是因为剪切作用逐渐破坏了分子间的结构网络。而震凝性流体则相反,其粘度随时间增加,分子结构在剪切作用下逐渐重建。这种时间效应的物理机理在于剪切改变了分子间的相互作用,导致结构破坏与重建之间的动态平衡。