你知道非牛顿流体吗
许多人应该都听过奇妙非牛顿流体，在某些视频里见识过那些类似稠糊的奇特物质。那么究竟非牛顿流体是什么？既然要讨论非牛顿流体，就必须先了解牛顿流体，这涉及到流变学领域。
流体是大家熟悉的概念，气体和液体都能流动，都属于流体类别，不过我们主要研究的是液体。简单来讲，牛顿流体是一种特殊物质，它的粘稠度会随温度变化，却不受剪切速率影响，并且应力与应变速率之间呈现简单的直线关联，比如水和盐溶液都属于这类流体。而其他类型的流体则被归类为非牛顿流体，例如牙膏和淀粉混合物。
这个道理非常容易明白，假如你对公式不感兴趣，读到此处即可，点击一下赞就能离开了，后面会介绍一些基础公式，用来深入探讨牛顿流体以及几种非牛顿流体的特性。
以最基础的剪切流动为例，这可以理解为流体单元在两片平行板间进行移动。在某个位置，流体保持不动，而在另一个位置，流体与上方的平板以相同速率朝某个方向移动，并且假设在垂直于运动方向上没有流体流动。简单剪切流动的特点是，流体内任意一点的速度与该点的坐标成正比关系。
(1)
公式里体现的是流速的变化率。当流体处于稳定层流状态时，紧贴上板的那部分流体，其移动速率同流体所处位置的深度成正比关系。
(2)
现在我们考察一下单纯剪切情形中的剪切速率状况。当初始流动形成之际，角形变极微，具体而言：
(3)
那么剪切引起的角应变速率（简称剪切速率）就是：
(4)
显而易见，在轻微变形时，剪切率数值上等于速度梯度值，也就是说。然而，当变形程度加剧或者剪切率数值增大时，二者不再相等。尽管如此，为了方便研究剪切运动现象，人们常常以剪切率数值作为速度梯度的替代量。
对于简单的剪切流动，可以简化成下面这样：
(5)
由于，其中为位移，那么速度梯度又可写成：
(6)
牛顿流体
探讨一下牛顿流体的定义，需要明确维持这种剪切运动，必须施加力量来对抗各层间流动的摩擦阻碍，流体的这种阻碍程度因种类而异，根据线性粘性学说，稳定流动状态下，所需的作用力与变形速率之间存在直接关联，也就是说
(7)
这便是大家熟知的牛顿定律，并非牛顿运动定律，而是牛顿流体的定义公式。其中，剪切应力是变量，常数即粘度，这个数值反映了流体流动的阻碍程度。这种流动模式被称为牛顿流动，或者称作线性粘性流动。凡表现出这种流动特性的流体，我们称之为牛顿流体，或者线性粘性流体。这类流体在特定条件下，层流时摩擦力值固定，即内摩擦系数恒定不变。
于是在流变学中对于所有流体的剪切粘度定义为：
(8)
必须留意，那个并非牛顿定律的公式。在国际单位制体系内，粘度的计量单位是，剪切应力的衡量单位是，而剪切速度的标度单位是。
牛顿在1967年就牛顿流体提出了一个设想，这个设想指出流动的阻碍程度同流体间相互移动的速度成比例关系，但更深层次的理论研究以及实验验证工作，则主要是在19世纪前半段时期，由法国的柯西、泊松以及英国的斯托克斯等科学家们共同推进完成的。
没错！又是他！大名鼎鼎的牛顿！
通俗来讲，牛顿型物质的粘稠度会因温度升高而减小，不会因为剪切力的快慢而变化，其受力与形变速度之间存在直接的直线关联。
水、酒精、酯类、油类等简单液体都属于牛顿流体，高物质浓度的溶液、熔体在特定情形下（例如剪切力较小时）也能显现出牛顿型流动特征。
接下来探讨其他情形，针对单维空间内的基础流动模式，本构方程能够化简为如下形式：
(9)
该公式称作幂次关系式，符合此公式的介质被定义为幂次介质，这种关系仅适用于适中的剪切力场区间，其中C是介质的粘稠度参数，其数值越高，介质表现越为滞涩，亦即其流动抗性越强，n代表非牛顿特性指数，通常情况下，对于大多数高分子质料开元ky888棋牌官方版，在数值波动不大的区间内，n可视为定值，将上述等式两端分别实施对数运算
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显而易见，当时，这表明该体系属于牛顿流体，其稠度系数等同于粘度数值。根据先前提供的粘度公式可以得知：
(13)
则粘度对剪切的依赖性可以表示为：
(14)
因此：
通过观察剪切粘度同剪切速率的关联曲线，能够明白非牛顿流体在受力时会产生不同变化，具体表现为某些物质在搅拌时会变得稀薄，另一些物质则会随着搅拌而变得更稠密。
假塑性流体
这是一种非牛顿流体类型。它具有剪切稀化特性。流体的非牛顿性一般只在特定剪切率区间显现，当剪切率很低或很高时，其流动行为则类似于牛顿流体。描述其特性的双对数曲线可以分为三个部分
低剪切速率区间呈现为一条斜度为一的直线，属于第一牛顿区，其粘度值为零剪切粘度，表现为一个不受剪切速率影响的牛顿平台。中等剪切速率区间则呈现为反S形曲线，曲线的倾斜度随剪切速率的增大而显著减小，对应的粘度值随之快速降低，这个过渡区域被称为剪切变稀区或假塑区。高剪切速率区间再次表现为一条斜度为一的直线，属于第二牛顿区。
胀塑性流体
属于非牛顿流体的一种，其特性与假塑性流体截然不同，会表现出剪切稀释现象。网络视频中所展示的非牛顿流体多数为此类物质。当受到轻微的剪切力作用时，该物质能够顺畅流动，然而一旦承受极高的剪切应力或者剪切速率，其粘度会急剧上升，直至无限增大，最终引发物料的崩解。一些由高分子组成的非均匀分散体系，例如含固率很高的悬浮液、粘稠物、油漆以及沉积物、淀粉质、高分子凝胶体，均属于具有膨胀和塑性特征的流体类型。
这种流体通常有以下特征：其内部成分是单独的粒子，不会形成团块，这些粒子的粘稠度要足够高，同时它们与周围环境很难融合或完全不融合。通常认为，这类流体的聚合物混合物，在受到较小外力作用时，各部分都能保持独立状态；当外力增强后，很多粒子会相互纠缠，尽管这种纠缠并不牢固，却显著提升了物质流动的难度。转速越快，颗粒相互接触次数越多，摩擦力也就越强。这种由剪切力造成的颗粒群聚状态并不持久，一旦停止外力作用，颗粒会重新散开，因此整体流动性会再次增强。
宾汉流体
宾汉流体是特殊流体的一种，牙膏就是此类流体的典型例子。这种流体在受到的剪切力未达到某个特定值时不会流动开yunapp体育官网入口下载手机版，一旦超过该临界力就会开始变形。这种流体的粘度在流动状态下保持恒定，表现得像牛顿流体一样。当剪切应力超出某个特定值时，该流体表现出非牛顿特性，具体表现为剪切率降低或升高现象开yun体育app入口登录，这种流体就归类为广义宾汉流体类型。
宾汉流体的张量表示形式如下：
，(15)
该公式涉及屈服应力张量，表明仅当应力超出屈服临界值时，该公式才适用，否则不会产生流动现象。这种现象属于塑性范畴，在达到屈服阶段之前，物质表现得如同弹性体。
对于一维方向的简单流动可以简化为：
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触变性流体
非牛顿流体的一种，当外力施加超过某个值时，整体开始变形，这种变形过程同样遵循幂律公式。当外力很小时，物质会像普通液体一样呈现线性反应，这种最基础的状态被称作宾汉塑性流体。那个时刻，流体呈现出非线性的剪切稀化特性，被称作屈服假塑性流体，又叫做Herschel-Bulkley塑性流体，此外，也被称作屈服胀塑性流体，或者是Casson塑性流体。这三类塑性流动共同构成了广义的宾汉流体范畴。
当剪切速率恒定，而粘度随时间减少时，该流体属于触变性流体。触变现象较为常见。许多高分子悬浮液，例如油漆和涂料，通常表现出触变性特性。粘附在刷子上的油漆不会移动，一旦开始搅拌，流动的阻碍马上消失，因此更便于涂抹，使表面平整。在一定剪切速率内，如~，人体的血液也具有触变特性。
触变物质属于随时间变化的非牛顿流体，而非牛顿流体未必都属于触变类型。
震凝性流体
反触变流体属于非牛顿流体的一种类型，与触变性流体性质不同，当剪切速率保持不变时，这种流体的粘度会随着时间的推移而增大，或者其所需克服的剪切应力也会随时间增长而变大，因此也被称为震凝性流体，又称为rheopexic fluid。触变性反映的是具有时间依赖性的假塑性流体的流动特性，而震凝性则描述的是具有时间依赖性的胀塑性流体的流动特性。碱性丁腈橡胶的乳胶悬浮液属于震凝性流体类型，这种流体通常呈现乳白色，在持续受到剪切力作用时，会转变为类似弹性体的形态，一旦停止外力作用，它又会逐渐恢复为液态。
震凝现象体现剪切增稠效应的迟滞特征，或者体现时间依赖性，这同样源于内部增稠构造的变化与其平衡状态之间需要时间才能达成。具备震凝特性的材料必定属于胀塑类型，而属于胀塑类型的材料却不一定具备震凝特性。
