ZŠ VNB III / 1 - Nenewtonská kapalina

Lekce III / 01 - Nenewtonská kapalina

Cíl lekce:

Žáci se seznámí s fyzikálními vlastnostmi kapalin. Zjistí, co je to nenewtonská kapalina a na základě pokusů odliší její vlastnosti od ostatních kapalin.

Zeptejte se Vašich dětí:

Kdo to byl Isaac Newton?
Co to je kapalina? Uveďte příklady.
Jaké vlastnosti má voda?
Jaké jsou základní vlastnosti kapalin?
Jak se liší vlastnosti nenewtonské kapaliny od klasické newtonské kapaliny (např. vody)?
Které vlastnosti newtonských a nenewtonských kapalin jsou shodné?

Kapalina

Kapalina (kapalná látka) je jedno ze skupenství látek, při kterém jsou částice látky relativně blízko u sebe, ale nejsou vázány v pevných polohách a mohou se pohybovat v celém objemu.

Kapaliny
Obrázky Water drop 001 od José Manuel Suárez [CC-BY-2.0], via Wikimedia Commons;
Red substance in half filled test tube od Horia Varlan [CC BY-2.0] ,via Flickr;
Surface tension - Japanese 1 Yen alminium coin on water od Eclipse2009 (Own work) [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Základní vlastnosti kapalin

Vlastnosti kapalin vyplývají z vlastností molekul.

Jsou tekuté - dají se přelévat.
Nemají stálý tvar - přizpůsobují se nádobě.
Zachovávají si stálý objem - a to i při změně tvaru nádoby.
Tvoří kapky - díky přitažlivým silám mezi částicemi.
V klidu vytvářejí v tíhovém poli Země volný vodorovný povrch.
Jsou prakticky nestlačitelné – díky vzájemným odpudivým silám mezi molekulami kapaliny.

Nenewtonská kapalina

Newtonská látka je model viskózní látky, která se řídí Newtonovým zákonem viskozity, je tedy charakterizována přímou úměrností rychlosti deformace a napětí. Rovnicí je Newtonův zákon viskozity a materiálovou konstantou charakterizující danou newtonskou látku je viskozita.

Model newtonské látky je vhodný především k popisu tekutin - hovoří se pako newtonské tekutině, popř. o newtonské kapalině. Látky, jejichž viskózní chování nelze popsat Newtonovým zákonem viskozity se označují jako nenewtonské.

Nenewtonská kapalina
Obrázek Non-Newtonian Fluid Dynamics od Rory MacLeod [CC BY-2.0], via Flickr

Nenewtonské látky (nelineárně viskózní látky) jsou takové látky, u kterých není rychlost deformace úměrná napětí. Neplatí tedy Newtonův zákon viskozity. Model nenewtonské látky je vhodný především k popisu tekutin, resp. kapalin – hovoří se pak o nenewtonské tekutině, popř. o nenewtonské kapalině.

Nenewtonská (anomální) kapalina je kapalina, která se z nějakého důvodu nechová tak, jak je u kapalin běžné. Nejběžnějším příkladem takové kapaliny je tekuté bahno, podmáčené písky, palačinkové těsto, čokoláda nebo zubní pasta. Nenewtonské kapaliny mají různé zajímavé vlastnosti.

Obecně označujeme jako nenewtonské efekty v kapalinách takové vlastnosti, které nejsou pozorovatelné v kapalinách, jejichž viskozita je zcela nezávislá na stavu napjatosti a deformace kapaliny. Neřídí se Newtonovým zákonem ani při laminárním toku; poměr tečného napětí a rychlostního gradientu není konstantní, závisí na hodnotě rychlostního gradientu. Bývá označován jako nenewtonská nebo zdánlivá viskozita. Podle průběhu závislosti rychlostního gradientu na tečném napětí jsou rozlišovány různé typy nenewtonských kapalin:

pseudoplastické a plastické, jejichž viskozita s rostoucím rychlostním
gradientem klesá,
dilatantní, jejichž viskozita vzrůstá s rychlostním gradientem.

Tekutina, která při laminárním toku vykazuje lineární závislost mezi tečným napětím τ_xy a rychlostním gradientem du_x/dy – se řídí Newtonovým zákonem:

Nenewtonské kapaliny jsou látky, které se nedeformují působením tlaku průběžně a závisle na jeho velikosti (tzn. že rychlost, jakou se přizpůsobí kapalina třeba tvaru nádoby, nezávisí na tlaku, jaký na ně působí). Přesto je lze analogicky popsat Newtonovým zákonem tedy rovnicí:

t = h (D) . D

kdy velikost smykového tření t je součinem změny rychlosti D proudění kapaliny a h (D), jež je ovšem tzv. zdánlivá viskozita, která není obecně látkovou konstantou jako u newtonských kapalin, ale závisí na rychlosti deformace nebo tečném napětí.

Vzhledem k tomu, že mezi nelineárně viskózní látky patří např. roztoky a taveniny makromolekulárních látek (např. laky, asfalty, tělní tekutiny apod.), různé směsi používané ve stavebnictví a potravinářství, ropa atd., má znalost jejich chování značné praktické využití. Nenewtonské kapaliny se dají použít také jako materiál pro balistickou ochranu - neprůstřelné vesty, moderní ochranné helmy, osobní pancíře, ochrana lehkých pěchotních a osobních automobilů. Mezi vrstvy balistických vláken se vloží mezivrstva nenewtonské kapaliny vykazující růst viskozity s rychlostí deformace.

Škrob

Škrob je zásobní polysacharid syntetizovaný rostlinami. Je to bílý prášek bez chuti a vůně, nerozpustný ve studené vodě. Jedná se o konečný produkt fotosyntézy rostlin. Ukládá se v zásobních orgánech rostlin ve formě škrobových zrn. Zvláště bohaté na škrob jsou brambory a kukuřice. Získávání škrobu je mechanické – surovina je rozdrcena a škrob je z ní získán vypíráním. Škrob se používá např. v potravinářství, v kvasném průmyslu, ve farmacii, k výrobě lepidel, nátěrů a apretur a pro výrobu škrobových derivátů.

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: