Ньютонівські і неньютонівські рідини

Рідини, в'язкість яких може бути описана рівнянням Ньютона, називаються ньютонівськими. Це гомогенні рідини (вода, парфуми, розчини електролітів і т.п.) Існують також більш складні різнорідні рідини, для опису яких рівняння Ньютона є неадекватним. В'язкість таких рідин, які називаються неньютоновскими рідинами, залежить від швидкості течії (при високих їх значеннях). Ця категорія рідин включає суспензії, емульсії і розчини макромолекул (наприклад, білків). Довгі ланцюжки макромолекул в розчинах можуть заплутуватися один з одним, і це переплетення перешкоджає їх здатності реагувати на зміни швидкості течії розчинника. Величина в'язкості неньютонівських рідин більша, ніж у ньютонівських рідин.

Ламінарна і турбулентна течія

Течія рідини,що показана на Рис. 1, називається ламінарною. Шар рідини, що контактує з рухомою металевою пластиною, має ту ж швидкість, що і ця пластина. Шар рідини, розташований нижче, переміщається трохи повільніше, і швидкість кожного наступного шару трохи менше, ніж попереднього. При цьому кожен шар рідини ковзає по іншому, і різні шари не перемішуються.

У ламінарному потоці кожна частка рідини слідує по шляху своєї попередньої частки. Швидкість течії в будь-якій точці рідини залишається постійною. Лінії струму не перетинаються між собою. Енергія, що повідомляється рідині для підтримки її течії, використовується, головним чином, на подолання в'язких сил між шарами рідини.

Інший тип течії називається турбулентним. Турбулентна течія нестійка. Пошаровий характер перебігу рідини порушується. У потоці утворюються місцеві завихрення, частки переміщаються не тільки паралельно, а й перпендикулярно осі трубки, безперервно перемішуючись. Лінії струму стають викривленими. Швидкість частинок, що перетинають конкретну точку рідини, не є постійною за напрямком і величиною: вона змінюється з часом. Опис турбулентного потоку має бути статистичними: з точки зору середніх величин. Для турбулентної течії необхідно більше енергії, ніж для ламінарної, оскільки при турбулентній течії істотно зростає внутрішнє тертя між частинками рідини.

Англійський фізик Рейнольдс досліджував умови, при яких течія є ламінарною або турбулентною. Перехід з ламінарної течії в турбулентну залежить від значення безрозмірної величини, званої числом Рейнольдса. Число Рейнольдса для рідини, що тече в циліндричної трубці визначається рівнянням:

Re = vDρ / η (5),

де v - середня швидкість потоку, D - діаметр трубки, η - в'язкість, і ρ - густина рідини.

Критична величина числа Рейнольдса для циліндричних трубок, при якому ламінарна течія стає турбулентною - 2000 - 2400.

Критична швидкість - швидкість рідини, при перевищенні якої ламінарна течія переходить в турбулентну. Перебіг крові в судинах є ламінарним (за винятком аорти). В аорті спостерігається турбулентний плин крові під час фізичної роботи, яка призводить до істотного збільшення швидкості течії крові. Потік крові також може стати турбулентним в артеріях при зменшенні площі їх поперечного перерізу внаслідок патологічних процесів. Причиною цього феномена є підвищення швидкості течії крові.