Newtonsches Fluid

Grundidee und Bedeutung

Ein Newtonsches Fluid ist eine Flüssigkeit oder ein Gas mit linear-viskosem Fließverhalten. Das bedeutet: Bei einem laminaren Fließvorgang ist die Schergeschwindigkeit proportional zur Scherspannung. Die Scherspannung beschreibt die Kraftwirkung, die benachbarte Schichten eines Fluids gegeneinander verschiebt; die Schergeschwindigkeit beschreibt, wie stark diese Schichten sich gegeneinander bewegen.

Newtonsche Fluide haben eine belastungsunabhängige Viskosität. Die Viskosität ist ein Maß für die Zähigkeit eines Stoffes. Wasser, Luft, viele Öle und Gase sind typische Beispiele. Ihre Bewegung wird durch die Gleichungen von Navier und Stokes beschrieben.

Newtonsches Gesetz

Für isotrope, inkompressible Newtonsche Fluide gilt das Newtonsche Gesetz:

τ = η · γ̇

Dabei ist τ die Scherspannung, γ̇ die Schergeschwindigkeit und η die dynamische Viskosität. η ist die Proportionalitätskonstante zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit. Verdoppelt sich bei gleicher Viskosität die Schergeschwindigkeit, verdoppelt sich auch die Scherspannung.

Nichtnewtonsche Fluide

Fluide, die nicht durch das Newtonsche Gesetz beschrieben werden können, heißen nichtnewtonsch. Ihr Verhalten ist Gegenstand der Rheologie, also der Lehre vom Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen.

Bei nichtnewtonschen Fluiden kann sich die Viskosität besonders mit der Schergeschwindigkeit und/oder mit der Belastungsdauer ändern. Dazu gehören beispielsweise viskoelastische Stoffe. Beispiele für nichtnewtonsche Flüssigkeiten und Stoffe sind Blut, Zementleime, Treibsand, Granulate und Ketchup.

Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit

Sinkt die Viskosität eines Materials bei steigender Schergeschwindigkeit, heißt es strukturviskos oder scherverdünnend. Beispiele dafür sind Polymerschmelzen und Dispersionen. Steigt die Viskosität dagegen bei steigender Schergeschwindigkeit, spricht man von Dilatanz. Dieser seltenere Fall tritt zum Beispiel bei Stärkesuspensionen auf.

Viele strukturviskose Stoffe besitzen eine Fließgrenze τF. Unterhalb dieser Scherspannung verhalten sie sich elastisch; ihre Nullviskosität, also die Viskosität bei einer Schergeschwindigkeit von Null, ist unendlich hoch. Bingham-Fluide sind einfache Vertreter: Bis τF zeigen sie elastisches Verhalten, darüber Newtonsches Verhalten.

Zeitabhängigkeit und Stärke-Wasser-Gemisch

Bei manchen Stoffen ändert sich die Viskosität während einer konstanten Scherbeanspruchung. Nimmt sie mit der Belastungsdauer ab und in Ruhe wieder zu, heißt dies Thixotropie. Beim umgekehrten Verlauf spricht man von Rheopexie. Wird die Ausgangsviskosität nicht vollständig wieder erreicht, wie etwa bei zuvor stichfestem Joghurt, liegt partielle oder unechte Thixotropie beziehungsweise Rheopexie vor.

Ein Beispiel für Dilatanz ist eine Mischung aus Wasser und Stärke, auch „Oobleck“ genannt. Wird Maisstärke portionsweise in Wasser eingerührt und die Suspension nähert sich der kritischen Konzentration, verhält sie sich bei schneller oder kräftiger Einwirkung eher wie ein Feststoff. Bei langsamer, sanfter Einwirkung bleibt sie flüssig. Auf dieser Flüssigkeit kann man laufen oder hüpfen; Faustschläge werden vollständig absorbiert, ohne dass Spritzer entstehen.