Die Fluide, die uns im täglichen Leben begegnen, variieren in ihrer Viskosität und ihrem Fließverhalten. Eine Möglichkeit, Fluide zu klassifizieren, besteht darin, sie in Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fluide einzuteilen. Diese Klassifizierung bezieht sich auf die Art und Weise, wie die Fluide auf Scherkräfte reagieren, also auf Kräfte, die parallel zur Strömungsrichtung wirken. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fluiden erläutert.
Newton’sche Fluide
Ein Newtonsches Fluid ist ein Fluid, dessen Viskosität unabhängig von der Scherkraft oder -rate ist. Das bedeutet, dass die Änderung der Scherkraft oder -rate nicht die Fließeigenschaften des Fluids beeinflusst. Die Viskosität eines Newtonschen Fluids bleibt unter verschiedenen Scherbedingungen konstant. Beispiele für Newtonsche Fluide sind Wasser, Öl und Säurelösungen. Die Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit bei Newtonschen Fluiden wird durch das Newtonsche Verfassungsgesetz beschrieben:
τ = η * dv/dr
Hier ist τ die Scherspannung, η die Viskosität des Fluids (eine Konstante) und dv/dr die Änderung der Geschwindigkeit in Bezug auf die Änderung des Abstands von einer Fläche zur anderen (Schergeschwindigkeit).
Nicht-Newtonsche Fluide
Nicht-Newtonsche Fluide dagegen zeigen eine Veränderung ihrer Viskosität in Abhängigkeit von der Scherkraft oder -rate. Ihre Fließeigenschaften ändern sich also, wenn unterschiedliche Scherbedingungen angewendet werden. Es gibt verschiedene Arten von Nicht-Newtonschen Fluiden, einschließlich:
1. Scherverdünnungsflüssigkeiten (Pseudoplasten)
Diese Flüssigkeiten zeigen eine abnehmende Viskosität mit zunehmender Scherkraft oder -rate, wie zum Beispiel Farben, Ketchup oder Blut. Die Viskosität nimmt ab, wenn sie geschüttelt, gedrückt oder gerührt werden, kehrt jedoch bei Abwesenheit einer Scherkraft zur ursprünglichen Viskosität zurück.
2. Scherverdickungsflüssigkeiten (Dilatant)
Diese Flüssigkeiten zeigen eine zunehmende Viskosität mit zunehmender Scherkraft oder -rate. Beispiele hierfür sind Suspensionen aus Stärkemehl in Wasser (Oobleck) oder Sand und Wasser. Wenn man sie langsam bewegt oder drückt, fließen sie leicht, aber bei schnellen Bewegungen oder starkem Druck verhärten sie sich und verhalten sich eher wie feste Stoffe.
3. Thixotrope Fluide
Thixotrope Fluide sind zeitabhängige Fluide, deren Viskosität mit der Zeit abnimmt, wenn eine Scherkraft oder -rate angewendet wird. Ein Beispiel ist Zahnpasta, die unter Druck aus der Tube kommt, sich aber auf der Zahnbürste nicht mehr verflüssigt.
Der Hauptunterschied zwischen Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fluiden besteht daher in der Art und Weise, wie sie auf Scherkräfte reagieren und der entsprechenden Veränderung ihrer Viskosität. Im Folgenden finden Sie eine Tabelle, die den Unterschied zwischen Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fluiden verdeutlicht:
| Newton’sche Fluide | Nicht-Newtonsche Fluide | |
|---|---|---|
| Viskosität | Konstant unter verschiedenen Scherbedingungen | Ändert sich mit der Scherkraft oder -rate |
| Beispiele | Wasser, Öl, Säurelösungen | Pseudoplasten (Farben, Ketchup), Dilatant (Stärke/Wasser), Thixotrop (Zahnpasta) |
| Gesetz | Newtonsches Verfassungsgesetz | Unterschiedliche Modelle je nach Art der Nicht-Newtonschen Fluide |