Ορισμός ρευστού και παραδείγματα

Ένα υγρό είναι ένα υλικό που ρέει ή παραμορφώνεται συνεχώς υπό διάτμηση (εφαπτομενική τάση). Με άλλα λόγια, ένα ρευστό έχει μηδενικό συντελεστή διάτμησης.

Τα υγρά, τα αέρια και το πλάσμα είναι ρευστά. Ωστόσο, ορισμένα στερεά συμπεριφέρονται και ως υγρά. Για παράδειγμα, το βήμα είναι ένα στερεό με υψηλό ιξώδες που ρέει (πολύ) αργά. Το Silly Putty ρέει, αλλά στερεοποιείται κάτω από μια ξαφνική δύναμη. Γενικά, τα στερεά δεν είναι υγρά επειδή αντιστέκονται στην εφαπτομενική τάση και παραμορφώνονται μόνο σε ένα σημείο πριν φτάσουν σε στατική ισορροπία.

Στη βιολογία, ο ορισμός του υγρού περιλαμβάνει τον ορισμό της φυσικής επιστήμης, αλλά αναφέρεται επίσης σε σωματικά υγρά, όπως το αίμα, το πλάσμα και τα ούρα. Τα υγρά που χορηγούνται για να αντικαταστήσουν τα σωματικά υγρά, όπως το φυσιολογικό αλατούχο διάλυμα και ο χυμός, είναι επίσης υγρά σε αυτό το πλαίσιο.

Ιδανικό υγρό εναντίον πραγματικού υγρού

Ένα ιδανικό ρευστό είναι ασυμπίεστο και δεν έχει ιξώδες. Με άλλα λόγια, έχει σταθερή πυκνότητα και δεν υπάρχει εσωτερική τριβή μεταξύ των στρωμάτων. Τα ιδανικά υγρά ρέουν χωρίς αναταράξεις. Ένα πραγματικό ρευστό είναι ένα ρευστό με κάποιο ιξώδες και συμπιεστότητα. Τα ιδανικά υγρά είναι φανταστικά — όλα τα πραγματικά υγρά είναι πραγματικά υγρά.

Παραδείγματα υγρών

Οποιοδήποτε υγρό, αέριο ή πλάσμα μπορείτε να ονομάσετε είναι ένα παράδειγμα υγρού. Ορισμένα υλικά που φαίνονται στερεά είναι επίσης ρευστά.

Νερό
Αέρας
Αίμα
Μέλι
Γάλα
Λάδι
Σαμπουάν
Ερμής
Βενζίνη
Καφές
Ήλιο
Γρήγορη και
Oobleck
Μαγιονέζα

Ιδιότητες υγρών

Τα υγρά εμφανίζουν δύο κύριες ιδιότητες:

Τα υγρά ρέουν και παίρνουν το σχήμα του δοχείου τους. Σημειώστε ότι δεν γεμίζουν απαραίτητα τον όγκο του δοχείου.
Τα υγρά αντιστέκονται στη μόνιμη παραμόρφωση. Αν τρυπήσετε νερό ή ενοχλήσετε τον αέρα, δεν μένει εκεί που το βάζετε.

Τύποι υγρών

Δύο τρόποι ταξινόμησης ρευστών είναι το ιξώδες και η συμπιεστότητα.

Νευτώνειο υγρό – Νευτώνειο ρευστό είναι ρευστό που υπακούει στο νόμο του ιξώδους του Νεύτωνα. Είναι ένα παχύρρευστο ρευστό όπου η τάση είναι ευθέως ανάλογη με την παραμόρφωση. Τα πιο γνωστά υγρά και αέρια είναι νευτώνεια ρευστά.
Μη Νευτώνειο υγρό – Ένα μη νευτώνειο ρευστό δεν υπακούει στο νόμο του ιξώδους του Νεύτωνα. Η τάση δεν είναι ευθέως ανάλογη με την καταπόνηση, επομένως το ιξώδες δεν είναι σταθερό. Παραδείγματα μη νευτώνειων υγρών περιλαμβάνουν το oobleck, το κέτσαπ και το γιαούρτι. Η εφαρμογή δύναμης ή τάσης σε αυτά τα υγρά αλλάζει το ιξώδες τους.
Συμπιεστό υγρό – Συμπιεστό ρευστό είναι εκείνο που υφίσταται μείωση του όγκου ή μεταβολή της πυκνότητας υπό πίεση. Τα αέρια και το πλάσμα είναι συμπιέσιμα υγρά.
Ασυμπίεστο υγρό – Ένα ασυμπίεστο ρευστό δεν αλλάζει τον όγκο του ως απόκριση σε αλλαγές στην πίεση ή στην ταχύτητα ροής. Ως επί το πλείστον, υγρά όπως το λάδι και το νερό είναι ασυμπίεστα υγρά. Ωστόσο, δεν είναι απολύτως ασυμπίεστα. Κάτω από αρκετή πίεση, τα πραγματικά υγρά συμπιέζονται ελαφρά.

Υπερρευστά

Το υπερρευστό είναι ένας ειδικός τύπος ρευστού που έχει μηδενικό ιξώδες έτσι ώστε να μην χάνεται κινητική ενέργεια όταν ρέει. Μια ενδιαφέρουσα συνέπεια είναι ότι τα υπερρευστά σκαρφαλώνουν ή «σέρνουν» στους τοίχους των εμπορευματοκιβωτίων. Το υγρό ήλιο-3 και ήλιο-4 είναι παραδείγματα υπερρευστών. Ορισμένα συμπυκνώματα Bose-Einstein και εξαιρετικά ψυχρά ατομικά αέρια εμφανίζουν υπερρευστότητα.

Κουίζ μόνος σου

Πιστεύετε ότι καταλαβαίνετε τι είναι υγρό; Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι ο ορισμός του ρευστού; Ένα υγρό είναι…

μια ουσία που γεμίζει τον όγκο του περιέκτη της.
ένα υλικό σε υγρή κατάσταση της ύλης.
ύλη που ρέει επειδή ασκεί πίεση πάνω της.
ύλη που παραμορφώνεται υπό κανονική πίεση.
μια ουσία που παραμορφώνεται συνεχώς υπό διάτμηση ή εφαπτομενική τάση.

Οι πρώτοι τέσσερις ορισμοί είναι εσφαλμένοι.

Πρώτον, ένα υγρό δεν γεμίζει πάντα το δοχείο του. Το νερό είναι ρευστό, ωστόσο, αν ρίξετε ένα φλιτζάνι νερό σε έναν κουβά, δεν διαστέλλεται για να γεμίσει το δοχείο.
Τα υγρά δεν είναι τα μόνα υγρά. Τα αέρια, το πλάσμα και ορισμένα στερεά είναι ρευστά.
Η πίεση (μια κανονική δύναμη) δεν είναι απαραίτητα η δύναμη που προκαλεί τη ροή ενός υγρού. Για παράδειγμα, εάν έχετε μια μπάλα νερού στον διαστημικό σταθμό που εκτίθεται σε ατμοσφαιρική πίεση, απλά κάθεται εκεί.
Μερικά υγρά παραμορφώνονται υπό κανονική πίεση, ενώ μερικά όχι. Τα αέρια παραμορφώνονται υπό κανονική καταπόνηση. Τα υγρά γενικά δεν κάνουν.

Ο τελικός ορισμός είναι ο σωστός. Ένα ρευστό παραμορφώνεται συνεχώς υπό διατμητική τάση. Τα βασικά σημεία είναι ότι η παραμόρφωση είναι συνεχής και ότι η εφαρμοζόμενη τάση είναι εφαπτομενική ή διατμητική.

Αναφορές

Berdyugin, A. I.; Xu, S. G. (2019-04-12). F. M. D. Pellegrino, R. Krishna Kumar, A. Principi, I. Torre, M. Ben Shalom, T. Taniguchi, K. Watanabe, I. V. Grigorieva, M. Polini, A. K. Geim, D. A. Bandurin. «Μέτρηση του ιξώδους Hall του ρευστού ηλεκτρονίων του γραφενίου». Επιστήμη . 364 (6436):162–165. doi:10.1126/science.aau0685
Khalatnikov, Isaac M. (2018). Εισαγωγή στη θεωρία της υπερρευστότητας . Τύπος CRC. ISBN 978-0-42-997144-0.
Thayer, Ann (2000). «Τι είναι αυτό; Ανόητο Στόκος». C&EN (Chemical &Engineering News) . Αμερικανική Χημική Εταιρεία. 78 (48):27.
White, Frank M. (2011). Ρευστομηχανική (7η έκδ.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-352934-9.