Дилатантные жидкости (дилатантные материалы) — это такие материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Такие жидкости являются одним из видов неньютоновских жидкостей.
Дилатантный эффект наблюдается в тех материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между частичками. При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка, и дилатантный материал способен легко перетекать. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнять свободные пространства, образующиеся между движущимися частичками, и поэтому трение между частичками сильно возрастает, что приводит к увеличению вязкости.[1] Такой эффект можно легко наблюдать в смеси кукурузного крахмала и воды[2], которая ведёт себя парадоксальным образом, когда по её поверхности наносится удар или в неё что-либо бросают. Песок, полностью промоченный водой, также ведёт себя как дилатантный материал. По этой причине, когда гуляете по пляжу после дождя, можно наблюдать сухой песок в тех местах, куда наступала нога (под смоченным слоем песка имеется область сухого песка, вследствие того, что капли дождя, ударяясь об уже влажный песок, не могут проникнуть вглубь из-за дилатантных свойств мокрого песка)[3]. По тем же причинам, следы быстро бегущего человека на мокром песке намного слабее, чем на сухом, конечно, в этом случае проявление эффекта сильно зависит от веса бегущего.
- Реопексия является схожим свойством материалов; у реопектических материалов вязкость возрастает в результате «накопления» напряжения с течением времени.
- Противоположным дилатантности свойством явлется псевдопластичность.
Математическая модель
Для описания зависимости касательного напряжения τ{displaystyle tau } от напряжения сдвига дилатнтных жидкостей используют степенной закон Оствальда: τ=K(dvdx)m−1(dvdx){displaystyle tau =K({frac {dv}{dx}})^{m-1}({frac {dv}{dx}})}, где K{displaystyle K} — коэффициент консистенции, m>1{displaystyle m>1} — индекс течения, определяющий возрастание эффективной вязкости при увеличении скорости сдвига[4].
от напряжения сдвига дилатнтных жидкостей используют степенной закон Оствальда: τ=K(dvdx)m−1(dvdx){displaystyle tau =K({frac {dv}{dx}})^{m-1}({frac {dv}{dx}})}
, где K{displaystyle K}
— коэффициент консистенции, m>1{displaystyle m>1}
— индекс течения, определяющий возрастание эффективной вязкости при увеличении скорости сдвигаПрименение
Управление тяговым усилием
Некоторые системы полного привода используют вязкостные муфты, наполненные дилатантной жидкостью, и передающие мощность между передними и задними колёсами. При движении по дороге с хорошим сцеплением между колёсами и покрытием дороги, характер движения передних и задних колёс одинаков, и таким образом, перемешивание жидкости в муфте весьма слабое, она обладает хорошей текучестью, и малая мощность передаётся через муфту от одних колёс к другим. Когда передние колёса начинают проскальзывать, скорость движения слоёв жидкости в вязкостной муфте возрастает, что приводит к загустеванию этой жидкости. Как следствие через муфту от задних колёс передаётся больший вращающий момент. В таком устройстве жидкость может почти полностью затвердевать, и при этом через муфту передаётся максимальный момент. Оператор в управлении описанным процессом никак не участвует. Описанные системы применяются в транспортных средствах, предназначенных для движения как по дорогам, так и по бездорожью.
Бронежилеты
Некоторые правительственные организации и корпорации используют дилатантные материалы в разработке бронежилетов и других защитных устройств для человеческого тела.
В одном исследовании, стандартная кевларовая ткань сравнивалась с композитной бронёй из кевлара и дилатантной жидкости. Результаты показали, что композитная броня показывает лучшие результаты, чем чистый кевлар, несмотря на то, что толщина композита была менее одной третьей от толщины чистого кевлара.[5]
В качестве примеров использования дилатантных материалов в средствах персональной защиты можно привести d3o, и Активную систему защиты, производимую Dow Corning.
См. также
Примечания
- ↑ Encyclopedia of Fluid Mechanics: Rheology and Non-Newtonian Flows (англ.) / Cheremisihoff, Nicholas P.. — Houston, Texas: Gulf Publishing Company (англ.)русск., 1988. — Vol. 7.
- ↑ Youtube Cornstarch science https://www.youtube.com/watch?v=vCHPo3EA7oE
- ↑ Youtube Wet Sand Science https://www.youtube.com/watch?v=B_qRh5Y-hO8
- ↑ Гусев Ю.И., Карасев И.Н., Кольман-Иванов Э.Э. Конструирование и расчет машин химических производств. — М., Машиностроение, 1985. — с. 142 — 143
- ↑ Liquid armour ‘can stop bullets’, BBC News (9 июля 2010).
