Nichtnewtonsches Fluid

Als nichtnewtonsches Fluid bezeichnet man im Gegensatz zum newtonschen Fluid ein Fluid, dessen Viskosität nicht konstant bleibt, wenn sich die auf dasselbe einwirkenden Scherkräfte verändern. Damit entspricht dieses Fluid nicht dem newtonschen Elementargesetz der Zähigkeitsreibung. Dieses Verhalten wird auch als anomalviskos bezeichnet.

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Beispiele für nichtnewtonsche Flüssigkeiten sind Blut, Zementleime, Treibsand, Sand-Wasser-Gemische (Schlämmung), Stärke-Wasser-Gemische, Schmiermittel, Polymerschmelzen, Ketchup, Spätzleteig und Pudding.

Das Fachgebiet, das sich mit nichtnewtonschen Flüssigkeiten beschäftigt, heißt Rheologie.

Der Grund für solches Verhalten ist eine Abnahme bzw. Zunahme der Wechselwirkungen in dem Fluid auf Grund der geänderten mikroskopischen Struktur. So können zum Beispiel in Dispersion vorliegende Partikel verformt werden.

  Nichtnewtonsche Fluide lassen sich je nachdem, wie sich die Viskosität mit wachsender Scherung ändert, in strukturviskos (sinkende Viskosität) und dilatant (wachsende Viskosität) einteilen.

Eine zeitliche Änderung der Viskosität führt zu der Unterscheidung zwischen Thixotropie und Rheopexie. Eine Zunahme der Viskosität nach dem Einwirken der Scherkräfte heißt Rheopexie, die Abnahme Thixotropie. Diese geänderten Viskositäten relaxieren nach einiger Zeit wieder zu ihrem früheren Zustand.

Ein weiteres Verhalten ist die Plastizität, bei der sich das Fluid bei kleinen Scherkräften wie ein Festkörper verhält und erst bei stärkerer Scherung flüssiges Verhalten zeigt. Dieses Verhalten wird auch binghamsches Verhalten (Bingham-Fluid) genannt. Ähnlich verhalten sich sog. cassonsche Stoffe, die auch erst ab einer bestimmten Schubspannung fließfähig werden.

Blutwunder wie z.B. das des heiligen Januarius von Neapel, wo sich festes Blut in flüssiges verwandelt, beruhen laut Experten auf den physikalischen Eigenschaften einer nichtnewtonschen Flüssigkeit. Eine Rezeptur zur Herstellung einer blutähnlichen Flüssigkeit mit nichtnewtonschen Eigenschaften aus Eisen(III)chlorid x Hexahydrat und Kalziumkarbonat in Wasser war schon im Mittelalter bekannt.

Alltägliches Beispiel

Eine günstige, nicht-toxische Probe eines nichtnewtonschen Fluids kann sehr einfach durch Mischung von Wasser und Stärke hergestellt werden. Dazu wird Maisstärke in kleinen Portionen in eine Tasse Wasser eingerührt. Wenn sich die Suspension der kritischen Konzentration nähert, zeichnet sich die Dilatanz ab. Krafteinwirkung, zum Beispiel durch Stochern mit dem Finger oder schnelles Umdrehen der Tasse, führt dazu, dass sich die Mischung eher als Feststoff denn als Flüssigkeit verhält. Langsamere und sanftere Einwirkung, zum Beispiel das ruhige Einführen eines Löffels, belassen den Stoff im flüssigen Zustand. Es ist sogar möglich auf dieser Flüssigkeit zu laufen oder zu hüpfen. Faustschläge werden vollständig absorbiert, und es entstehen zu keinem Zeitpunkt Spritzer.