非ニュートン流体

物理学と化学において、非ニュートン流体はニュートンの粘性の法則に従わない流体であり、つまり応力に応じて粘度が変化する。特に、非ニュートン流体の粘度は力が加わると変化する。例えばケチャップは振ると水っぽくなるため、非ニュートン流体である。多くの塩溶液や溶融ポリマーは非ニュートン流体であり、カスタード、^{[1] 、}歯磨き粉、デンプン懸濁液、コーンスターチ、塗料、血液、溶かしたバター、シャンプーなど、一般的に見られる多くの物質も非ニュートン流体である。

最も一般的には、非ニュートン流体の粘度（せん断応力または引張応力による段階的な変形）は、せん断速度またはせん断速度履歴に依存します。ただし、せん断に依存しない粘度を持つ一部の非ニュートン流体は、通常の応力差またはその他の非ニュートン挙動を示します。ニュートン流体では、せん断応力とせん断速度の関係は原点を通る線形であり、比例定数は粘性係数です。非ニュートン流体では、せん断応力とせん断速度の関係は異なります。流体は時間に依存する粘性を示すことさえあります。したがって、一定の粘性係数を定義することはできません。

粘性の概念は流体力学で流体のせん断特性を特徴付けるためによく使用されますが、非ニュートン流体を説明するには不十分な場合があります。非ニュートン流体は、さまざまな装置またはレオメータを使用して測定される振動せん断や伸張流などのさまざまな流動条件下での応力とひずみ速度テンソルに関連するいくつかの他のレオロジー特性を通じて最もよく研​​究されます。これらの特性は、連続体力学の分野で一般的なテンソル値の構成方程式を使用してよりよく研究されます。

非ニュートン流体の粘度については、時間に依存しない擬塑性流動、塑性流動、およびダイラタント流動があり、時間に依存する チキソトロピー流動とレオペクティック流動があります。

せん断増粘性流体、つまりダイラタント流体の粘度は、 せん断速度が増加すると増加するようです。水中に懸濁したコーンスターチ(「ウーブレック」、下記参照) は一般的な例です。ゆっくりかき混ぜると乳白色に見え、激しくかき混ぜると非常に粘性の高い液体のように感じられます。

反対の、せん断減粘性流体、または擬塑性流体のよく知られた例としては、壁の塗料があります。塗料は、表面に塗布されるときにブラシから容易に流れ落ちますが、過度に垂れてはなりません。すべてのチキソトロピー流体は、せん断減粘性が極めて高いものの、時間依存性が著しく、一方、コロイド状の「せん断減粘性」流体は、せん断速度の変化に瞬時に反応することに注意してください。したがって、混乱を避けるために、後者の分類は、より明確に擬塑性と呼ばれます。

せん断減粘性流体のもう 1 つの例は血液です。せん断ひずみ速度が増加すると血液の粘度が低下するため、この用途は体内で非常に好まれています。

せん断応力とせん断ひずみの関係は線形であるが、流動し始める前に有限の降伏応力を必要とする流体（せん断応力とせん断ひずみのグラフが原点を通過しない）は、ビンガム プラスチックと呼ばれます。粘土懸濁液、掘削泥水、歯磨き粉、マヨネーズ、チョコレート、マスタードなどがその例です。ビンガム プラスチックの表面は、静止しているときに山の形を保つことができます。対照的に、ニュートン流体は静止しているときは平らで特徴のない表面になります。

ひずみ速度が時間の関数となる流体もあります。一定のひずみ速度を維持するために徐々に増加するせん断応力を必要とする流体は、レオペクティック流体と呼ばれます。これとは逆のケースは、時間の経過とともに薄まり、一定のひずみ速度を維持するために減少する応力を必要とする流体です (チキソトロピー性)。

多くの一般的な物質は非ニュートン流体を示す。これには以下のものが含まれる: ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]}

• 石鹸水、化粧品、歯磨き粉
• バター、チーズ、ジャム、マヨネーズ、スープ、タフィー、ヨーグルトなどの食品
• マグマ、溶岩、ゴム、蜂蜜、バニラエキスなどの抽出物などの天然物質
• 血液、唾液、精液、粘液、関節液などの体液
• セメントスラリーや製紙パルプなどのスラリー、マヨネーズなどのエマルジョン、およびいくつかの種類の分散液

非ニュートン流体の安価で無毒な例としては、水に溶かしたデンプン（コーンスターチやコーンフラワーなど）の懸濁液があり、これは「ウーブレック」、「ウーズ」、「マジックマッド」（水1に対してコーンスターチ1.5～2）と呼ばれることもある。^{[13] [14] [15] 「ウーブレック」という名前は、}ドクター・スースの本「バーソロミューとウーブレック」に由来している。^[13]

ウーブレックはその膨張特性のため、その異常な挙動を示すデモンストレーションによく使用されます。人がウーブレックの大きな桶の上を歩いても、ずり粘性があるため沈むことはありません。ただし、その人が十分に素早く動き、各ステップで粘性を高めるのに十分な力を加える必要があります。また、ウーブレックを十分な音量で駆動する大型サブウーファーの上に置くと、スピーカーからの低周波音波に反応して粘性が増し、定在波を形成します。人がウーブレックをパンチしたり叩いたりすると、粘性が増して固体のように動作します。打撃の後、ウーブレックは薄い液体のような状態に戻ります。

フラバーは一般にスライムとも呼ばれ、非ニュートン流体で、ポリビニルアルコールベースの接着剤（「学校用」の白い接着剤など）とホウ砂から簡単に作ることができます。低応力下では流動しますが、高応力下では破裂します。この流体のような性質と固体のような性質の組み合わせにより、マクスウェル流体になります。その挙動は粘塑性またはゼラチン状とも表現されます。^[16]

非ニュートン流体の流動のもう一つの例は、冷やしたキャラメルアイスクリームのトッピング（カラギーナンやジェランガムなどの親水コロイドを含む場合）である。指で表面を突いたり、容器を素早くひっくり返したりするなどして突然力を加えると、流体は液体ではなく固体のように振舞う。これがこの非ニュートン流体の「せん断増粘」特性である。スプーンをゆっくり挿入するなど、より穏やかな処理をすると、液体状態のままになる。しかし、スプーンを再び引っ張って引き抜こうとすると、一時的な固体状態に戻る。^[17]

Silly Putty は、ひずみ率に応じて流動したり、跳ね返ったり、壊れたりできる シリコン ポリマー ベースの懸濁液です。

植物樹脂は粘弾性 固体 ポリマーです。容器に入れておくと、液体としてゆっくりと流れ、容器の輪郭に沿っていきます。しかし、より大きな力で叩くと、固体として砕けてしまいます。

流砂は、静止時に粘度が増す、せん断流動性の非ニュートンコロイドです。流砂の非ニュートン特性は、流砂が軽い衝撃を受けると（たとえば、誰かがその上を歩いたり、棒でかき回したりしたとき）、ゲル相とゾル相の間で変化し、一見液状化して、流砂の表面にある物体が沈むことで観察できます。

ケチャップはせん断流動性流体です。^{[3] [18]}せん断流動性とは、せん断応力が増加すると流体の粘度が低下することを意味します。言い換えれば、流体の動きは最初は変形速度が遅いと困難ですが、速度が速いとより自由に流れるようになります。逆さまにしたケチャップのボトルを振ると、せん断流動性によって粘度が低下し、ボトルから注ぎやすくなります。

特定の状況下では、粒状材料の流れは、例えばμ ( I ) レオロジーを使用して連続体としてモデル化できます。このような連続体モデルは、粒状流れの見かけの粘度が圧力とともに増加し、せん断速度とともに減少するため、非ニュートン流体になる傾向があります。主な違いは、せん断応力とせん断速度です。

ウィキメディア・コモンズには、非ニュートン流体に関連するメディアがあります。

• 非ニュートン流体の古典的な実験（YouTubeの National Committee for Fluid Mechanics による）