뉴턴 유체(Newtonian fluid)와 비뉴턴 유체

뉴턴 유체 Newtonian fluid

전단응력과 속도구배와 정비례하는 관계를 갖는 유체. 

유체유동에 의해 발생하는 전단응력(shear stress)이 유체 속도의 변화율(일명 유체변형률의 증분)과 선형적인 관계를 나타내는 유체를 뉴튼 유체라고 부른다. 그렇지 않은 유체를 비뉴튼 유체(non-Newtonian fluid)라고 한다. 

뉴턴이라는 용어는 영국의 물리학자겸 수학자인 뉴튼(Isaac Newton, 1643-1727)의 이름에서 유래되었다. 

파이프(pipe) 속을 통과하는 유동은 대표적인 뉴튼 유체로써, 유체 내에 발생하는 전단응력(shear stress)은 파이프 내벽에 수직한 방향으로 유속의 변화율(shear rate)에 비례한다. 뉴튼 유체에 발생하는 전단응력은 수식적으로 유동에 수직한 방향으로 유속의 변화율과 점성(viscosity)의 곱으로 정의된다. 

따라서 점성이 일정할 경우, 전단응력의 크기는 유속의 변화율에 비례하여 증가한다. 

뉴턴유체 특징

뉴튼 유체의 가장 큰 특징은 유체의 성질이나 유동이 외부 하중과 무관하게 일정하게 유지된다는 점이다. 

따라서, 점성은 온도와 압력만의 함수로 표현되고, 유동을 아무리 휘젓거나 혼합시켜도 이에 무관하게 유체는 계속해서 일정한 성질을 지니고 흘러간다. 다시 말해 이러한 유체는 저절로 흘러가려는 성질을 지니고 있다. 

반면, 치약이나 페인트는 대표적인 비뉴튼 유체로써, 이들은 힘을 받으면 흘러가지만 저절로는 절대 흘러가지 않는다. 다시 말해 저절로 흘러가려는 유동을 방해하는 힘이 유동 내부에 존재한다는 뜻이다. 따라서 유동을 방해하려는 힘이 자체 내에 존재하지 않는 경우라야 뉴튼유체에 해당된다. 

비뉴턴유체 

팽창성 유체(dilatant fluid)

변형률이 증가하면 유동에 대한 저항이 훨씬 커지게 된다.

의사플라스틱(pseudoplastic fluid)

변형률이 증가하면 유동에 대한 저항을 덜하게 된다. 

이상소성체(ideal plastic)

운동을 발생시키기 위한 최소한의 전단응력이 필요

 

2014. 05. 20 작성