Nichtnewtonsches Fluid

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

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

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.

Mit Hilfe der rheologischen Methoden lassen sich nichtnewtonsche Flüssigkeiten charakterisieren.

Einteilung

Rheologische Eigenschaften

Scherratenabhängig

Nichtnewtonsche Fluide lassen sich je nachdem, wie sich die Viskosität mit wachsender Scherung ändert, in strukturviskos (sinkende Viskosität) und dilatant (wachsende Viskosität) einteilen. Die Änderung der Viskosität ist bei einer bestimmten Scherrate, unabhängig von der Zeit der Einwirkung, immer gleich.

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. Unterschieden werden hier binghamsches Verhalten (Bingham-Fluid), bei dem die Viskosität mit steigender Scherung konstant bleibt, und viskoplastisches Verhalten, bei dem sich die Viskosität mit steigender Spannung nicht konstant verhält. Ähnlich verhalten sich so genannte cassonsche Stoffe, die auch erst ab einer bestimmten Schubspannung fließfähig werden.

Zeitabhängig

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

Beispiele

Ein weit verbreitetes Beispiel für eine nichtnewtonsches Fluid entsteht durch Mischung von Wasser und Stärke. 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.

Blutwunder wie beispielsweise 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-Hexahydrat und Calciumcarbonat in Wasser war schon im Mittelalter bekannt.

Literatur

• Gert Böhme: Strömungsmechanik nichtnewtonscher Fluide. Teubner, Leipzig 2000, ISBN 3-519-12354-1
• Raj P. Chhabra, J. F. Richardson: Non-Newtonian flow in the process industries - fundamentals and engineering applications. Butterworth-Heinemann, Oxford 1999, ISBN 0-7506-3770-6
• Bernard D. Coleman, et al.: Viscometric flows of non-Newtonian fluids - theory and experiment. Springer, New York 1966

Weblinks

• What is Viscosity
• Videobericht von Spiegel Online über ein Experiment italienischer Wissenschaftler
• Dieses verdammte Ketchup! (PDF-Datei; 24 kB)
• Brei, knallhart (PDF-Datei; 1,3 Mb)