Дилатантні рідини
Дилатантна рідина
Дилата́нтна ріди́на (англ. dilatant fluid) — це такий матеріал, в якому в'язкість зростає при збільшенні швидкості деформації зсуву. Така рідина являється одною з неньютонівських рідин. Емпіричне рівняння для дилатантних рідин описане нижче:
[math]\tau=\eta\left(\frac{du}{dy}\right)^n[/math]
де: [math]\tau[/math] — дотичне напруження внутрішнього тертя в рідині, [Па];
[math]\frac{du}{dx}[/math] — градієнт швидкості у напрямі, перпендикулярному до напряму зсуву, [с−1];
[math]\eta[/math] — коефіцієнт пропорційності, [Па·с].
n — константа, що характеризує поведінку рухомої рідини, для дилатантних рідин n > 1
Дилатантний ефект спостерігається в тих матеріалах, в яких щільно розміщені частинки перемішані з рідиною, яка заповнює простір між цими частинами. При низьких швидкостях зсуву шарів матеріалу один відносно одного рідина діє як змазка, і дилатантний матеріал здатний легко перетікати. При високих швидкостях рідина не встигає заповнювати вільний простір, що утворюється між рухомими частинками, і тому тертя між частинками сильно зростає, що призводить до збільшення в'язкості. Такий ефект можна спостерігати в суміші кукурудзяного крохмалю і води, яка поводиться парадоксальним чином, коли по її поверхні наноситься удар або в неї що-небудь кидають. Пісок, повністю промочений водою, також поводиться як дилатантний матеріал. З цієї причини, коли гуляєте по пляжу після дощу, можна спостерігати сухий пісок в тих місцях, куди наступала нога (під змоченим шаром піску є область сухого піску, внаслідок того, що краплі дощу, вдаряючись про вже вологий пісок, не можуть проникнути вглиб через дилатантні властивості мокрого піску). З тих же причин, сліди людини, яка швидко біжить, на мокрому піску набагато слабкіші, ніж на сухому. Звичайно, в цьому випадку прояв ефекту сильно залежить від ваги людини.
До дилатантних рідин відносяться глиняні суспензії, солодкі суміші, гідрозоль кукурудзяного крахмалю, системи пісок/вода.
Застосування
Керування тяговим зусиллям
Деякі системи повного приводу використовують в'язкісні муфти, наповнені дилатантною рідиною, і передають потужність між передніми і задніми колесами. При русі по дорозі з хорошим зчепленням між колесами і покриттям дороги, характер руху передніх і задніх коліс однаковий, і таким чином, перемішування рідини в муфті досить слабке, вона володіє хорошою текучістю, і мала потужність передається через муфту від одних коліс до інших. Коли передні колеса починають пробуксовувати, швидкість руху шарів рідини в вязкостній муфті зростає, що призводить до загустіння цієї рідини. Як наслідок через муфту від задніх коліс передається більший обертовий момент. У такому пристрої рідина може майже повністю затвердівати, і при цьому через муфту передається максимальний момент. Описані системи застосовуються в транспортних засобах, призначених для руху як по дорогах, так і по бездоріжжю.
Спорт, військова справа
На основі дилатантних рідин міністерство оборони США розпочало випуск бронежилетів для військових. Дані бронежилети за своїми характеристиками кращі звичайних, так як легші по вазі і простіші у виготовленні. Матеріал, з якого виготовляються бронежилети, називається d3o. Фактично d3o поводиться як добре охолоджена карамель, тільки ще чутливіший до навантажень. Якщо натискати на d3o м'яко, тобто з невеликим зростанням сили нажаття - він еластичний, немов латекс, з нього можна скачувати кульки і ковбаски, як з пластиліну. Однак при різкому підвищенні градієнта швидкості деформації компенсувати тертя між частинками і, відповідно, забезпечити дрейф їх один щодо одного не виходить, у результаті чого в d3o утворюється миттєва жорстка структура, обумовлена вже звичайним, сухим тертям між частинками - саме вона і забезпечує стрибкоподібну зміну в'язкості, що схоже на миттєве затвердіння матеріалу. Як тільки таке різке навантаження буде знято, d3o розслабиться і буде знову м'яким і еластичним.
Також даною компанією випускаються різноманітні засоби захисту на коліна, лікті та інші частини тіла, які можуть зазнати травм при занятті спортом.
Посилання
1. Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости, пер. с англ., М., 1964
2. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Донецьк : Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
3. Галилео СТС - Неньютоновская жидкость
4. Использование неньютоновской жидкости в ремонте автодорог
