Ньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой не зависит от градиента скорости.

Свойствами ньютоновской жидкости обладают большинство жидкостей (вода, растворы, низкомолекулярные органические жидкости) и все газы.

Вязкость определяется с помощью специальных приборов - вискозиметров. Значения коэффициента вязкости η для некоторых жидкостей представлены в таблице.

Значение вязкости крови, представленное в таблице, относится к здоровому человеку в спокойном состоянии. При тяжелой физической работе вязкость крови увеличивается. На величину вязкости крови влияют и некоторые заболевания. Так, при сахарном диабете вязкость крови увеличивается до 23·10^-3 Па×с, а при туберкулезе уменьшается до 1*10^-3Па·с. Вязкость сказывается на таком клиническом параметре, как скорость оседания эритроцитов (СОЭ).

Неньютоновская жидкость

Неньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой зависит от градиента скорости.

Свойствами неньютоновской жидкости обладают структурированные дисперсные системы (суспензии, эмульсии), растворы и расплавы некоторых полимеров, многие органические жидкости (например мед) и др.

При прочих равных условиях вязкость таких жидкостей значительно больше, чем у ньютоновских жидкостей. Это связано с тем, что благодаря сцеплению молекул или частиц в неньютоновской жидкости образуются пространственные структуры, на разрушение которых затрачивается дополнительная энергия.

Кровь

Кровь относится к неньютоновской жидкости

Цельная кровь (суспензия эритроцитов в белковом растворе - плазме) является неньютоновской жидкостью вследствие агрегации эритроцитов.

Эритроцит в норме имеет форму двояковогнутого диска диаметром около 8 мкм. Он может существенно менять свою форму. (рис. 2 и 3).

Рис.2.

В неподвижной крови эритроциты агрегируют, образуя так называемые «монетные столбики», состоящие из 6-8 эритроцитов. Электронно-микроскопическое исследование тончайших срезов монетных столбиков выявило параллельность поверхностей прилежащих эритроцитов и постоянное межэритроцитарное расстояние при агрегации

Рис.3.

При протекании крови по капиллярам агрегаты эритроцитов распадаются и вязкость падает.

Вживление специальных прозрачных окошек в кожные складки позволило сфотографировать течение крови в капиллярах. На рис. 3, выполненном по такой фотографии, отчетливо видна деформация кровяных клеток.

На вязкость жидкости оказывает большое влияние ее состав. Вязкость крови человека в норме колеблется от 4 до 5 мПа×с, при патологии же она может изменяться от 1 до 23 мПа×с. Она зависит от концентрации ее компонентов: воды, минеральных солей, белков и др.

Следовательно, вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе – уменьшается.

Вязкость зависит от природы жидкости, от температуры.

С увеличением температуры вязкость жидкостей уменьшается, т.к. уменьшается взаимодействие между молекулами, возрастает подвижность молекул.

Для медицины представляет интерес течение вязкой жидкости по трубам, т.к. кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра (рис. 4.).

Вследствие симметрии ясно, что в трубе частицы текущей жидкости равноудаленные от оси, имеют одинаковую скорость. Наибольшей скоростью обладают частицы, движущиеся вдоль оси трубы. Слой, находящийся в контакте со стенкой трубы, неподвижен. Примерное распределение скорости частиц в сечении трубы показано на рис. 4.

Рассмотренное слоистое течение жидкости называется – ламинарным. Увеличение скорости течения вязкой жидкости вследствие неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрение и движение становится вихревым или турбулентным. При турбулентном течении скорость частиц в каждом месте непрерывно и хаотически меняется, движение является нестационарным.

Характер течения жидкости по трубе зависит от плотности жидкости - ρ_ж, скорости ее течения - v, размеров трубы (диаметра) – d, динамической вязкости жидкости - , и определяется безразмерным числом Рейнольдса - Re.

(2)

Учитывая, что кинематическая вязкость ν и динамическая вязкость η связаны через плотность жидкости формулой (3), можно число Рейнольдса выразить как .

Для гладких цилиндрических труб cуществует критическое число Рейнольдса - Re_крит ≈ 2300, которое разделяет два режима течения жидкостей: ламинарное и турбулентное

Если Re > Re _крит, то движение турбулентное, и наоборот.

Единица кинематической вязкости в «СИ» = 1м²/с.

Вязкость проявляется при движении не только жидкости по сосудам и тел в жидкости. При небольших скоростях в соответствии с уравнением Ньютона сила сопротивления движущемуся телу пропорциональна вязкости жидкости, скорости движения тела и зависит от формы и размеров тела.

Наиболее простой формой тела является cфера. Для сферического тела (шарик) зависимость силы сопротивления при его движении в сосуде с жидкостью выражается формулой (законом) Стокса.

(4)

r – радиус шарика

- скорость движения

- коэффициент динамической вязкости.

Существуют различные методы определения коэффициента динамической вязкости. В данной работе вязкость определяется:

1) с помощью вискозиметра Оствальда;

2) методом Стокса (метод падающего шарика).

Вязкость крови измеряется вискозиметром Гесса с двумя капиллярами.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение является важной силовой и энергетической характеристикой жидкости и играет большую роль в медицине. Коэффициент поверхностного натяжения биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению коэффициента поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови. Силы взаимодействия между молекулами жидкости значительно превышают силы взаимодействия между молекулами газа. Рассмотрим действие этих сил на молекулы, находящиеся внутри и на поверхности жидкости.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с окружающими ее молекулами. Так как взаимодействия симметричны, то равнодействующая равна нулю (рис. 2а) Для молекулы, находящейся вблизи поверхности, симметрия нарушается и возникает сила, нескомпенсированная действием других молекул и направленная внутрь жидкости - эта сила вызывает давление на нижележащие слои и называется силой молекулярного давления. (Рис. 2а, 2б).

а) б)

Рис. 5.

Несмотря на то, что сила очень велика, она действует только на молекулы самой жидкости в радиусе сферы молекулярного взаимодействия и не ощущается телами, погруженными в жидкость.

При отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится занять минимальную площадь поверхности и принимает форму шара. Поверхностный слой уплотняется, что похоже на упругую пленку, в которой действуют упругие силы (силы поверхностного натяжения, направленные по касательной поверхности).

Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длиной «L», то межмолекулярные силы F_n можно изобразить стрелками, перпендикулярными отрезку (рис. 5а).

Рис. 5а.

Соотношение s = F/L (5), коэффициент поверхностного натяжения, где .

Его можно рассматривать как силовую характеристику поверхностного натяжения жидкости. Так как молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости, то для увеличения площади поверхности жидкости необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Значит, коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно рассматривать как энергетическую характеристику поверхностного слоя жидкости.

s = DА/DS = (6)

Действие сил поверхностного натяжения легко продемонстрировать на мыльных пленках (рис. 5б).

Рис. 5б.