非ニュートン流体：性質、例、日常での用途

主な特性

非ニュートン流体は、応力または変形に対して粘度がどのように応答するかによって分類される。代表的な区分には、せん断によって粘度が低下するせん断減粘（擬塑性）流体、粘度が上昇するせん断増粘（ダイラタント）流体、加えられた応力の持続時間に応じて変化する時間依存性流体がある。変化しうる測定可能な性質としては、流動を始めるためのしきい値である降伏応力、粘性と弾性の両方の応答を示す粘弾性、流動中に生じる法線応力なども挙げられる。

例と身近な形態

日常的に見られる物質の多くが非ニュートン流体である。その例は生体流体、食品、工業用懸濁液にわたる。代表例は以下のとおりである。

• 血液：せん断減粘性と、循環にとって重要な複雑な時間依存性を示す。
• 流砂：衝撃を受けると固体のように振る舞い、ゆっくり乱すと流動しうる懸濁液である。
• 練り混ぜ直後のセメントスラリー：その流動性は、建設における打設と硬化に影響する。
• 一部の潤滑剤：性能向上のため、荷重に応じて粘度が変化するよう設計されている。
• ケチャップ：振ったり押し出したりすると流れやすくなる、せん断減粘性の調味料である。
• 生地およびプディング：粘弾性的、またはせん断に依存する食感を示す食品調製物である。

対照として、せん断に依存せず粘度を一定に保つニュートン流体の基本特性も参照するとよい。

簡単な実演と家庭での実験

古典的な教室実演として、コーンスターチと水を混ぜて濃い懸濁液にしたウーブレックがある。急な力を加えると硬い固体のように振る舞う一方、ゆっくり流れさせると粘性液体のように振る舞う。一般的な配合はコーンスターチ約2に対して水1であり、たたいたときに固体らしい応答を示すよう調整する。このような実験は、粒子間相互作用と懸濁液の微細構造が巨視的な挙動をどのように決めるかを示すが、注意を払い、公衆安全にも配慮して行う必要がある。

用途と重要性

非ニュートン挙動の理解は、医学、製造業、消費者向け製品の各分野で重要である。医学では、血流診断や薬物送達に影響する。産業では、レオロジーを制御することが、塗料、食品、化粧品、掘削流体のポンプ輸送時および使用時の性能を左右する。技術者や科学者はレオメーターを用いて挙動を定量化し、望ましい流動性、安定性、加工特性を得るために配合を調整する。

主な相違点と歴史的な注記

ニュートン的挙動と非ニュートン的挙動の区別は、研究者がアイザック・ニュートンの提唱した単純な法則に従わない材料を観察した、19世紀のレオロジーにおいて生まれた。現代のレオロジーでは、複雑流体を記述するために実験測定とモデルを組み合わせる。実務者は、設計と予測のため、観察された応答を最も適切に表すモデル、たとえばビンガムモデル、べき乗則モデル、ハーシェル・バルクレーモデルを選択する。専門的な話題をさらに学ぶには、上記でリンクした入門資料や実験ガイドを参照されたい。