Strömungsmechanik

Nicht newtonsche Flüssigkeit und newtonsche Flüssigkeit

Kann man auf bestimmten Flüssigkeiten laufen? Die Antwort lautet ja! In diesem Beitrag erklären wir dir, was eine nicht newtonsche Flüssigkeit ist und weshalb du auf ihr laufen kannst. Außerdem erfährst du, was der Unterschied zu einer newtonschen Flüssigkeit ist. Möchtest du eine nicht newtonsche Flüssigkeit einmal selber herstellen, dann findest du in diesem Beitrag auch ein ganz einfaches Rezept dafür.

Du kannst dir Dinge besser merken, wenn du sie mit Bildern erklärt bekommst? Dann schau unser Video dazu an!

Inhaltsübersicht

Nicht newtonsche Flüssigkeit einfach erklärt

Eine nicht newtonsche Flüssigkeit weist ein eigenartiges Verhalten auf. Wirkt auf die Flüssigkeit kein Druck, dann verhält sie sich wie eine gewohnte Flüssigkeit. Streckst du also zum Beispiel deine Hand langsam in die Flüssigkeit, dann taucht sie ein. Übst du jedoch Druck auf sie aus, indem du zum Beispiel auf die Flüssigkeit schlägst, verhält sie sich wie ein Festkörper.

Der Grund für dieses eigenartige Phänomen liegt in dem nichtlinearen Verhalten der Viskosität. Die Viskosität gibt dir an, wie zäh eine Flüssigkeit ist.

Newtonsche Flüssigkeit einfach erklärt

Bei einem newtonschen Fluid ist die Viskosität von der Belastung unabhängig. Viele Flüssigkeiten oder Gase, die sich wie newtonsche Fluide verhalten, kennst du aus dem Alltag. Typische Beispiele hierfür sind Wasser, verschiedene Öle oder Luft.

Eine newtonsche Flüssigkeit weist, im Gegensatz zu einer nichtnewtonschen Flüssigkeit, ein linear viskoses Verhalten auf.

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Newtonsche Flüssigkeit vs. Nicht newtonsche Flüssigkeit

Zusammengefasst besteht der Unterschied zwischen newtonschen und nicht newtonschen Flüssigkeiten in dem Verhalten der Viskosität unter dem Einwirken einer Scherkraft. Wenn du nicht mehr genau weißt, was man unter einer Scherung oder Scherkraft versteht, dann schau unser Video dazu an. Newtonsche Fluide weisen beim Einwirken einer Scherkraft ein lineares viskoses Verhalten auf, wohingegen nicht newtonsche Fluide ein nicht-lineares viskoses Verhalten haben.

Wirkt also eine Scherkraft auf eine nicht newtonsche Flüssigkeit, dann bleibt die Viskosität nicht konstant, sondern ist von der wirkenden Scherkraft abhängig. Das kann dazu führen, dass sich die Flüssigkeit bei Druck, wie ein Festkörper verhält.

Bei newtonschen Flüssigkeiten ist hingegen die Schergeschwindigkeit \dot{\gamma} proportional zur Scherspannung \tau

\tau = \eta \cdot \dot{\gamma}.

Wobei \eta eine Proportionalitätskonstante ist, welche die dynamische Viskosität repräsentiert. Das Verhalten newtonscher Fluide lässt sich mit der Navier-Stokes-Gleichung gut beschreiben.

Charakterisierung des nichtlinearen Verhaltens

Mit dem Verhalten der Viskosität nichtnewtonscher Flüssigkeiten lassen sich Fluide gut charakterisieren. Je nachdem, ob die Viskosität der Fluide von der Schergeschwindigkeit oder von der zeitlichen Beanspruchung abhängt, spricht man von strukturviskosen Fluiden, dilatanten Fluiden, Thixotropie oder Rheopexie. Diese Begriffe werden im Folgenden genauer beschrieben.

Strukturviskos vs. dilatant

Je nach Verhalten der Viskosität bei wachsender Schergeschwindigkeit unterscheidet man eine strukturviskose Flüssigkeit von einer dilatanten Flüssigkeit. Eine Flüssigkeit heißt dabei strukturviskos, beziehungsweise scherverdünnend, wenn die Viskosität bei steigender Schergeschwindigkeit sinkt. Dilatant beziehungsweise scherverdickend hingegen, wenn die Viskosität bei steigender Schergeschwindigkeit ansteigt. In der folgenden Abbildung sieht man, wie Flüssigkeiten bezüglich dem Verhalten der Scherspannung und Schergeschwindigkeit charakterisiert werden. Es ist auch der lineare Fall einer Newtonschen Flüssigkeit eingezeichnet. Zusätzlich findet man im Diagramm auch das Verhalten der sogenannten Bingham-Fluide. Bei diesen Fluiden ist Viskosität bei einer Schergeschwindigkeit von null unendlich hoch und für Schergeschwindigkeiten größer null verhalten sie sich wie newtonsche Flüssigkeiten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Plastizität.

Scherspannung, Schergeschwindigkeit, Bingham Fluide, dilatant, newtonsch, strukturviskos, scherverdickend, scherverdünnend
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Scherspannungs- Schergeschwindigkeitsdiagramm

Thixotropie und Rheopexie

Hängt die Viskosität hingegen von der zeitlichen Beanspruchung ab, dann unterscheidet man die Thixotropie und Rheopexie. Bei der Thixotropie verringert sich die Viskosität mit der Belastungsdauer. Lässt man das Fluid eine gewisse Zeit ruhen, dann nimmt die Viskosität wieder zu. Verhält sich ein Fluid genau umgekehrt, also wenn sich die Viskosität mit der Belastungsdauer erhöht und beim ruhen wieder verringert, dann spricht man von Rheopexie. In der folgenden Abbildung ist die Viskosität gegenüber der Zeit aufgetragen und das Verhalten der Thixotropie und Rheopexie eingezeichnet.

Thixotropie, Rheopexie, Scherphase, Ruhephase, Viskosität, Zeit, Scherbeanspruchung, nichtnewtonsche Flüssigkeit
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Viskosität- Zeit Diagramm

Wird bei der Relaxation die Ausgangsviskosität nicht wieder vollständig erreicht, dann spricht man auch von partieller Thixotropie beziehungsweise partieller Rheopexie.

Nicht newtonsche Flüssigkeit Rezept Oobleck

Eine nichtnewtonsche Flüssigkeit kannst du ganz einfach selber herstellen. Hierfür benötigt man lediglich Speisestärke, Wasser, eine Schüssel und eventuell Lebensmittelfarbe zum Färben. Mischt man nun die Speisestärke mit dem Wasser im Verhältnis 2:1, also doppelt so viel Speisestärke wie Wasser, dann ist die nichtnewtonsche Flüssigkeit schon fertig. Man bezeichnet sie auch als Oobleck.

Nicht newtonsche Flüssigkeit Beispiele

Auch im Alltag findet man nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Zum Beispiel verhält sich Ketchup oder Blut wie ein nichtnewtonsches Fluid. Dies erkennt man daran, dass Ketchup langsam aus der Flasche fließt, wenn man jedoch auf den Flaschenboden schlägt oder es stark schüttelt, zeigt es keine Reaktion. Beim Blut hingegen sind wir darauf angewiesen, dass es auch in sehr dünne Adern fließen kann. Wirkt ein Druck auf das Blut, so wird es immer dünnflüssiger und somit kann es auch durch sehr enge Stellen fließen. Wie schon erwähnt, spricht man bei dieser Eigenschaft von Thixotropie.

Ein weiteres Beispiel wäre Silly Putty, auch Hüpfknete genannt. Wirkt auf die Knete ein starker Druck, so wird sie fest. Wirft man also eine solche Knete zum Beispiel auf den Boden, so hüpft diese wie ein Flummi. Lässt man hingegen eine solche Knete eine Weile liegen, dann verläuft sie wie eine zähe Flüssigkeit.

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