سیال (Fluid) در علم فیزیک به ماده ای اطلاق می شود که به طور مداوم تحت تنش برشی تغییر شکل دهداما جامدات اما جامدات ایگونه نیستند. سیالات فازهای مختلفی دارند از جمله مایعات، گازها، پلاسما و تا حدی مواد جامد پلاستیکی. اگر چه اصطلاح “سیال” برای مایعات و گازها استفاده می شود اما در متون تخصصی بیشتر برای مایعات یا مخلوط مایع و گاز به کار می رود . دو نوع سیال داریم سیال نیوتونی و سیال غیر نیوتنی که به بررسی آنان می پردازیم .
در بین موادی که به طور معمول به عنوان سیال شناخته می شوند ، تفاوت بسیاری در رفتارشان با توجه به تنشی که تحمل می کنند مشاهده می شود.ایزاک نیوتن مطالعات بسیار گسترده ای در زمینه‌های مختلف داشت: اپتیک، گرانش، امواج، ریاضیات، نجوم، تاریخ، مذهب، علم کیمیا و … . نیوتن در کنار همه این مطالعات روی نجوه جریان یافتن سیالات مختلف هم مطالعه می‌کرد و این مطالعات به قدری مهم و راهگشا بود که یک شاخه در دینامیک سیالات به نام نیوتن ایجاد شد. نیوتن روی تاثیر فشار بر نحوه جریان یافتن سیالات معمولی مثل آب کار می‌کرد؛ اینکه چطور این سیالات صرف نظر از میزان فشاری که به آنها وارد میشود، به یک شکل حرکت می‌کنند. اگر یک همزن را داخل یک ظرف پر از آب فرو کنید و شروع به هم زدن آب کنید، فرقی نمی‌کند چقدر سریع یا آرام آب را هم می‌زنید، گرانروی آب تغییر نخواهد کرد .
بسیاری از مایعاتی که ما در روز با آنها سر و کار داریم، دقیقاً همین رفتار را دارند: روغن، نفت، آب، شیر و آبمیوه. اما سیالات دیگری هم هستند که چنین رفتاری ندارند؛ اینها همان سیالات غیر نیوتنی هستند. در یک سیال غیر نیوتنی گرانروی با توجه به میزان فشار اعمال شده بر سیال تغییر می‌کند. اتفاقی که نیوتن آن را نمی‌پسندد .
سیالاتی که از قانون ویسکوزیته نیوتن (Newton’s Law of Viscosity ) معادله پیروی می کنند و دارای (μ ( Dynamic Viscosity ثابتی می باشند به عنوان سیالات نیوتنی شناخته می شوند.سیال غیر نیوتنی، سیالی است که گرانروی آن با نرخ کرنش وارد بر آن تغییر می‌کند. در نتیجه چنین سیالاتی فاقد گرانروی معین هستند. مانند: صابون‌های مایع و لوازم آرایشی، غذاهایی مانند کره، پنیر، مربا، کچاپ، مایونز، سوپ و ماست، مواد طبیعی مانند ماگما، گدازه، آدامس و عصارها مانند عصارهٔ وانیل، سیالات بیولوژیکی مانند خون، بزاق و مایع سینوویال (مایع مفصلی)، امولسیون مانند سس مایونز و برخی از انواع دیسیرسیون .
تفاوت اساسی این سیالات با سیالات نیوتنی در معادلات ساختاری آنها می باشد که بیانگر رابطه بین تنش و نرخ برش است. این معادلات ساختاری که در سیالات غیرنیوتنی، شکلی پیچیده تر از سیالات نیوتنی دارد، معادلات بقاء را تحت تأثیر قرار داده و سبب میشود که این معادلات نیز به نوبه خود پیچیده تر شوند.در سیالات نیوتونی، رابطهٔ بین تغییرات تنش برشی و نرخ تنش اعمال شده به صورت خطی است و ضریب ثابت تبدیل کنندهٔ این تناسب خطی به معادله، همان لزجت یا گرانروی است؛ ولی در سیالات غیر نیوتونی، دیگر اثری از رابطهٔ خطی میان تغییرات تنش برشی و نرخ تنش اعمال شده نیست و در این طیف از سیالات، مدت زمان اعمال تنش نقش مهمی در تنش برشی حاصل شونده ایجاد می‌کند. در نتیجه در سیالات غیرنیوتونی ضریبی ثابت مانند لزجت برای توصیف وضعیت تنش برشی معنا ندارد .
اوبلک یک سیال غیر نیوتنی است
وقتی نشاسته ذرت را با آب مخلوط می‌کنید، دانه‌های نشاسته در آب معلق می‌شوند و یک ماده عجیب با خواص غیر نیوتنی ایجاد می‌کنند. وقتی روی اوبلک کمی‌فشار اعمال می‌کنید، اتفاقی می‌افتد که نیوتند انتظار آن را ندارد : گرانروی مایع افزایش می‌یابد نه کاهش. در نقطه ای که فشار وارد کرده اید، ذرات نشاسته در هم فرو می‌روند و مولکول‌های آب را میان خودشان به دام می‌اندازند و اوبلک بطور موقت تبدیل به یک ماده نیمه جامد میشود. منبع این فشار می‌تواند هر چیزی باشد؛ از ارتعاش صوتی گرفته یا یک ظرف که مرتب تکان داده میشود . ویدیوی زیر را ببینید تا رفتار این سیال غیر نیوتنی را در مقابل فشارهای مختلف را بینید :
این آزمایش بخوبی خواص عجیب و غیر منتظره یک سیال غیر نیوتنی را روشن می کند. صفحه مرتعش باعث ایجاد امواج فارادی ناهموار در مایع می شود. با وارد کردن کمی فشار هوا روی اوبلک، یک سوراخ در وسط آن ایجاد می شود که بر خلاف انتظار با گذشت زمان ناپدید نمی شود. با افزایش سرعت ارتعاشات این سوراخ از بین نمی رود بلکه شروع به حرکت در سطح ظرف می کند. البته تا گفته نماند که یک سیال غیر نیوتنی تفریح بسیار جالبی است .
با یک جستجوی ساده در یوتیوب به ویدیوهای زیادی بر می خورید که افراد مختلف مشغول بازی با اوبلک هستند. محبوب ترین روش بازی با این سیال غیر نیوتنی هم راه رفتن روی آن است. در ویدیوی بالا هم چند دانشجو مشغول بازی با اوبلک هستند. البته ناگفته نماند که بررسی و تبیین جامع تمام خواص اوبلک یا هر سیال غیر نیوتنی دیگر موضوع تحقیقات علمی بسیاری بوده است.
یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه شیکاگو در سال ۲۰۱۲ مقاله ای را منتشر کردند که در آن نتایج تحقیقاتشان روی اوبلک تبیین شده بود (در انتهای این پست می توانید ویدیوی این آزمایش را ببینید). کاری که این محققان با سیال غیر نیوتنی می کنند بسیار جالب تر از ورجه وورجه کردن روی اوبلک است. آنها در آزمایش شان از لیزر، دوربین های با سرعت بالا و دستگاه های اشعه ایکس استفاده کرده اند .
این گروه بعد از اندازه گیری تمام نیروها و تغییر شکل های درگیر با اوبلک، محققان تصور بهتری از فعل و انفعالات اوبلک پیدا کردند. اگر خیلی سریع و محکم روی اوبلک ضربه وارد کنید، دانه های نشاسته به هم فشار وارد می کنند و مثل برف های جلوی ماشین برف روب به سمت بالا می پرند. به این ترتیب یک ستون از ماده شبه جامد درست زیر پای شما – یا هر چیزی که فشار وارد می کند – ایجاد می شود و از وزن شما حمایت می کند. اما اگر دیگر حرکت نکنید، دیگر فشاری روی سیال غیر نیوتنی وارد نمی کنید و در نتیجه سیال دوباره با حالت مایع بر می گردد.
داستان بنظر خیلی ساده می رسد اما هنور معماهای زیادی درباره این سیال غیر نیوتنی بی جواب باقی مانده است. محققان هنوز همه جزییات را درباره اوبلک نمی دانند؛ مثل اینکه ذرات نشاسته واقعاً یکدیگر را لمس می کنند یا نه؟ چه چیزی باعث جدا شدن آنها بعد از برداشته شدن فشار می شود؟ اندازه ذرت چه تاثیری روی خواص و رفتار اوبلک دارد؟ پیدا کردن جواب سوال آخر اهمیت زیادی دارد زیرا محققان زیادی به دنبال ساخت موادی با خواص مشابه اوبلک هستند. ساخت چنین ماده ای اهمیت زیادی دارد و می تواند در ساخت جلیقه های ضد گلوله یا جلیقه های محافظ برای بعد از تصادفات رانندگی بکار رود .