비뉴턴 유체

비뉴턴 유체(non-Newtonian fluid)는 뉴턴의 점성법칙, 응력과 무관한 즉 일정한 점도를 따르지 않는 유체이다. 비뉴턴 유체에서 점도는 힘이 가해지는 정도에 의해 더 액체 또는 더 고체로 변할 수 있다. 예를 들어 토마토 케첩은 흔들릴 때 더 잘 움직이며 비뉴턴 유체이다. 많은 소금 용액과 용융된 폴리머 그리고 녹아내린 초콜릿 등은 꿀, 치약, 전분 현탁액, 페인트, 혈액 및 샴푸와 같이 흔히 발견되는 물질과 마찬가지로 비뉴턴성 액체이다.

이러한 의미에서 비뉴턴 유체(Non-Newtonian fluid)는 전단 응력이 변형률에 직접적으로 비례하지 않는 유체이다.

많은 일반적인 유체가 비뉴턴 유체가 움직이는 것과 같은 성질을 보인다.

비뉴턴 유체는 유체의 유동이 시간이라는 변수에 대해서 시간독립적(time-independent behavior)인 시간독립성 유체와 시간의존적(time-dependent behavior)인 시간의존성 점도로 분류할 수 있다.

비뉴턴적 행동의 유형

요약

층밀림 두꺼워지기 유체

층밀림 두꺼워지기

층밀림 얇아지기 유체

층밀림 얇아지기

빙엄 플라스틱

유변성 또는 항-요변성

유변성

요변성

예시

우블렉

멕시코 시티 우니베르숨에서 비뉴턴 유체 시연

서브우퍼의 우블렉. 이 경우 음파에 의해 우블렉에 힘을 가하면 비뉴턴 유체가 두꺼워진다.^[1]

비뉴턴 유체의 저렴하고 무독성인 예는 물에 전분(예: 옥수수 전분/옥수수 가루)을 현탁시킨 것으로, 때로는 "우블렉", "나무 수액" 또는 "마법의 진흙"이라고도 한다(물 1대 옥수수 전분 1.5에서 2).^[2]^[3]^[4] "oobleck"이라는 이름은 닥터 수스의 책 바르톨로뮤와 우블렉(Bartholomew and the Oobleck)에서 유래되었다.^[2]

팽창성 특성으로 인해 우블렉은 특이한 동작을 나타내는 시연에 자주 사용된다. 각 단계에서 두꺼워짐을 유발할 만큼 충분한 힘을 제공할 수 있을 만큼 빠르게 움직이는 사람은 층밀림 두꺼워짐 특성으로 인해 가라앉지 않고 큰 우블렉 통 위를 걸을 수 있다. 또한 충분히 높은 볼륨으로 구동되는 대형 서브우퍼에 우블렉을 놓으면 스피커에서 나오는 저주파 음파에 반응하여 두꺼워지고 정지파를 형성하게 된다. 사람이 우블렉을 주먹으로 치거나 치면 두꺼워지고 고체처럼 작용할 것이다. 타격 후 우블렉은 다시 얇은 액체 상태로 돌아간다.

플루버(슬라임)

플러버 (물질)

차가운 카라멜 토핑

어리석은 퍼티

실리퍼티

식물 수지

흐르는 모래

유사 (모래)

케첩

마른 알갱이 흐름

멱법칙 유체

시간 독립성 유체의 경우, 멱법칙 모델(power law model)에 의한 1차원 유동은

$\tau _{xy}=k\left({{du} \over {dy}}\right)^{n}$

n:유동거동지수(behavior index, 일관성 지수), 무차원

k:점조도지수(consistency index, 멱법칙 지수)(N․sⁿ/m²)

n=1

이고

k=\mu

이면, 뉴턴의 점성 법칙과 동일하게 됨을 예상할 수 있다.

따라서 $n\neq 1$ 에서 뉴턴 유체 범주에서 벗어날 수 있으므로 n값은 비뉴턴 유체의 성질과 상대적으로 밀접한 관계를 보여준다.

오스트발트-드 웰 관계식

멱법칙 유체인 오스트발트-드 웰 관계식으로 뉴턴 유체를 확장하여 표현하면 아래와 같다.

\eta =\mu \left\vert {\lambda {\dot {\gamma }}}\right\vert ^{n-1}

\eta

는 점성도

\mu

는 유체의 점성계수

\lambda ={{\mu } \over {\tau }}

\gamma ={{du} \over {dy}}

허쉘-버클리 유체

\tau _{xy}=\tau _{0}+k\left({{du} \over {dy}}\right)^{n}

위의 허쉘-버클리(Herschel-Buckley) 비뉴턴 유체는 다음과 같은 점도 표현식으로 나타낼 수 있다.

\mu =\mu _{0}+k\left({{dV} \over {dx}}\right)^{n-1}

리-아이링 이론

한편 이러한 비뉴턴 유동현상을 다루는 리-아이링 이론은 유체에 대한 비뉴턴 유동 현상으로부터 어떠한 유체도 구성 입자가 있는다는 사실에서 양자역학의 개념을 적용한 이론으로 볼 수 있다. 이러한 의미에서라면 유체뿐만 아니라 고체까지도 결국에는 변화에서 자유롭지 않기에 '모든 물체는 변한다'는 포괄적인 개념을 얻을 수 있다.

같이 보기

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비뉴턴 유체

각주

↑ 이 우블렉 시연은 유투브 동영상에서 인기 있는 주제이다.^{[{{{설명}}}]}
↑ ^가 ^나 “Oobleck: The Dr. Seuss Science Experiment”. 《instructables.com》.
↑ “Outrageous Ooze”. 《Exploratorium》.
↑ Rupp, Rebecca (1998). 〈Magic Mud and Other Great Experiments〉. 《The Complete Home Learning Source Book》. Three Rivers Press. 235–236쪽. ISBN 978-0-609-80109-3.

외부 링크

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[1] 이 우블렉 시연은 유투브 동영상에서 인기 있는 주제이다.^{[{{{설명}}}]}

[Oobleck:_The_Dr._Seuss_Science_Experiment-2] 가 ^나 “Oobleck: The Dr. Seuss Science Experiment”. 《instructables.com》.

[Outrageous_Ooze-3] “Outrageous Ooze”. 《Exploratorium》.

[Magic_Mud_and_Other_Great_Experiments-4] Rupp, Rebecca (1998). 〈Magic Mud and Other Great Experiments〉. 《The Complete Home Learning Source Book》. Three Rivers Press. 235–236쪽. ISBN 978-0-609-80109-3.

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