Non-Newtonian Akışkanlar

Darbeyle katılaşan sıvılar, akmaz halden bir parmak gücüyle akar hale gelen karışımlar, bir anlık kayma gerilmesi değişimiyle akış hızı artan malzemeler. Çok ilgi çekici, aynı zamanda bir çoğu her gün çevremizde, evimizde olan, Newton'un viskozite kanununa uymayan akışkanlar. 

Malzeme biliminde ilgimi çeken konulardan birisi Newtonyen davranış göstermeyen akışkanlardır. Çok ilginç şekillerde farklı durumlarda beklenmedik davranışlar sergilerler. Örneğin nişasta solüsyonuna yumruk atıldığında sertleşip bir katı gibi davranması, normalde akmayan maddenin biraz basınç ile akması(mesela diş macunu).

Newton'un Viskozite Kanunu 

Newton'un viskozite kanununa göre, bir akışkanın molekülleri arasındaki kayma hızı veya deformasyon hızı, kayma gerilmesi ile doğru orantılıdır. Kayma hızı - kayma gerilmesi eğrisi lineerdir ve orjinden geçer.

 kayma gerilmesi,  viskozite,  ise kayma hızıdır.

Bu durumda viskozite kayma gerilmesi veya deformasyon hızıyla değişmez, sıcaklık ve basınç ile değişir yani termodinamik bir özelliktir. Diğer bir deyişle sabit sıcaklıktaki bir akışkan, uygulanan kayma gerilmesiyle doğru oranda bir hızla şekil değiştirir veya üzerine ne kadar hızlı bir kuvvet uygulandığı akışkanlık özelliklerini değiştirmez. Bu duruma  uyan akışkanlara Newtonian, Newtonyen veya Newton yasasına uygun akışkanlar denir.

Newton Kanununa Uymayan Akışkanlar 

Newtonyen olmayan akışkanlarda durum farklıdır. Viskoziteleri kayma hızına hatta zamana bağlı olarak değişebilir. Genelde yoğun ve kompleks karışımlardır. Örnek olarak kan, ketçap, boya, şampuan, krema, pekmez ve bazı kayganlaştırıcılar verilebilir.

Başlıca dilatant yani kaymayla kalınlaşan, pseudoplastik yani kayma ile incelen, Bingham plastiği ve reopektik yani zamana bağlı olarak viskozitesi değişen akışkanlardır.

Dilatant Akışkanlar

 Kayma hızı ile viskozitesi artan akışkanlardır. Örnek olarak nişasta solüsyonu verilebilir. Bunu evde kendini yapabilirsiniz. Mısır nişastasını suyla karıştırıp kıvamlı bir karışım elde edince kendi haline bırakılınca sıvı olan ama ani darbe karşısında katılaşan bir yapısı olduğunu göreceksiniz.

Yandaki videoda Mythbusters programında yapılan nişasta ve su karışımının üzeride yürümenin bile mümkün olduğunu gösteriyorlar. 

 Aynı şekilde Flubber adı verilen boraks ile tutkal karışımı da hızlı deformasyonlara sertleşerek tepki verir.

Son zamanlarda yaygınlaşan koruma malzemesi D3o dilatant bir akışkandır. Spor koruma giysileri, motosiklet kaskları gibi ürünleri desteklemek için kullanılır. Ani darbelerde sertleşerek darbeyi iletmez. Yazının sonunda D3o ile ilgili bir kaç video izleyebilirsiniz.

Pseudoplastikler


 Kayma hızı ile viskozitesi azalan akışkanlardır. Yani yer değiştirme hızlandıkça direnci azalır. En bilinen örneklerinden birisi boyadır. Örneğin duvar boyası fırçadan akmaz durumdayken duvara uygulanırken rahatça sürülebilir. Yandaki videoda gördüğümüz gibi şampuanın da kayma gerilmesi artışı ile viskozitesi azalır. Videoda görüldüğü üzere yüzeyde biriken şampuan viskozitesi azalır, altında kaldığı basınca bağlı olarak sıçrama yapmaktadır.
Ketçap da bu kategoriye girer.


 Bingham Plastikler

Kayma gerilmesi ile kayma hızı arasındaki ilişki lineer olmasına rağmen, Newton yasasına aykırı olarak, belirli bir büyüklüğe kadar kayma gerilmesine karşı koyabilen akışkanlardır. Yani düşük gerilim altında rijit özellik sergilerken, yüksek gerilimlerde akışkan özelliği sergilerler. Plastik şekil değişimine uğrar, kuvvet ortadan kalkınca eski haline dönemez. Örnek olarak diş macunu verilebilir. Kendi halindeyken tüpten akmayan macun, kayma gerilmesi belirli bir seviyeye geldikten sonra akmaya başlar. Mayonez de Bingham plastiktir.

Zamana bağlı olmayan Non-Newtonian akışkanların Kayma Gerilimi - Kayma Hızı eğrisi

Zamana Bağlı Olarak Viskozitesi Değişen Akışkanlar

Bunlar, viskozitesi aynı kayma gerilmesi altında kaldığı süreye bağlı olarak değişen akışkanlardır. Örneğin bazı kayganlaştırıcılar sallandıkça daha incelen bir yapıya gelirler. Bu materyaller üzerinde savunma ve spor başta olmak üzere korunma malzemesi yapılması için araştırmalar yapılmaktadır.

D3o videoları