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Ein '''Newtonsches Fluid''' (nach [[Isaac Newton]]) ist ein [[Fluid]] (also eine Flüssigkeit oder ein Gas) mit [[Linearität (Physik)|linear]] [[Viskosität|viskosem]] Fließverhalten. Bei diesen Fluiden ist also die [[Schergeschwindigkeit]] proportional zur [[Scherspannung]]. Solche Fluide, wie beispielsweise Wasser und Luft, werden durch eine belastungsunabhängige [[Viskosität]] charakterisiert. Ihre Bewegung gehorcht den [[Gleichungen von Navier-Stokes]].

Davon abweichendes Verhalten heißt '''nichtnewtonsch''' und ist Gegenstand der [[Rheologie]]. Beispiele für Nichtnewtonsche Flüssigkeiten sind [[Blut]], [[Zementleim]]e, [[Treibsand]], [[Granulare Materie|Granulate]] und [[Ketchup]]. Das Verformungsverhalten derartiger Stoffe lässt sich nicht mehr einfach durch das [[Newtonsche Gesetze|Newtonsche Gesetz]] (siehe unten) beschreiben.

== Definition ==
Ein Newtonsches Fluid ist eine Flüssigkeit oder ein Gas, dessen [[Scherspannung]] <math>\tau</math> bei einem [[Laminare Strömung|laminaren]] Fließvorgang proportional zur [[Schergeschwindigkeit]] <math>\dot\gamma</math> ist. Bei [[Isotropie|isotropen]] [[Inkompressibles Fluid|inkompressiblen]] Newtonschen Fluiden gilt dabei die einfache Gleichung (die als ''Newtonsches Gesetz'' bezeichnet wird):

:<math> \tau = \eta \cdot \dot\gamma </math>,

wobei die Proportionalitätskonstante <math>\eta</math> als ''dynamische [[Viskosität]]'' bezeichnet wird. Typische Beispiele Newtonscher Fluide sind [[Wasser]], viele [[Öle]] und [[Gas]]e. Die Bewegung der Newtonschen Fluide wird durch die [[Gleichungen von Navier-Stokes|Gleichungen von Navier und Stokes]] beschrieben.

Viele Materialien verhalten sich nicht ideal-viskos und können daher mit dem Newtonschen Gesetz nicht korrekt beschrieben werden. Dies gilt beispielsweise für [[Viskoelastizität|viskoelastische]] Stoffe. Diese Stoffe nennt man Nichtnewtonsche Fluide. Die Viskosität Nichtnewtonscher Fluide ändert sich insbesondere mit der Schergeschwindigkeit und/oder der Belastungsdauer.

== Einteilung des nichtlinearen Verhaltens ==
=== Schergeschwindigkeitsabhängigkeit ===

[[Datei:Scherspannung Nichtnewtonscher Fluide linear.png|mini]]




Materialien, deren Viskositäten bei steigenden Schergeschwindigkeiten absinken, werden generell als ''[[Strukturviskosität|strukturviskos]]'' oder ''scherverdünnend'' bezeichnet. Beispiele sind [[Polymerschmelze]]n oder [[Dispersion (Chemie)|Dispersionen]]. Umgekehrt gibt es auch den (weitaus selteneren) Fall, dass die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit ansteigt, was als [[Dilatanz (Fluid)|Dilatanz]] bezeichnet wird. Ein bekanntes Beispiel sind [[Stärke]]suspensionen.

Strukturviskosität kann sich auf viele verschiedene Arten manifestieren. Viele strukturviskose Stoffe weisen eine ''Fließgrenze'' <math>\tau_\mathrm{F}</math> auf, eine Scherspannung, unterhalb derer sie sich elastisch verhalten. Die ''Nullviskosität'', also die Viskosität bei einer Schergeschwindigkeit von Null, ist bei diesen Stoffen unendlich hoch. Die einfachsten Vertreter dieser Kategorie sind [[Bingham-Fluid]]e, bei denen bis <math>\tau_\mathrm{F}</math> elastisches Verhalten und darüber Newtonsches Verhalten vorliegt.

=== Zeitabhängigkeit ===
[[Datei:Thixotropie und Rheopexie.svg|mini|Zeitabhängige Viskositätsänderung [[Thixotropie|thixotroper]] und [[Rheopexie|rheopexer]] Stoffe bei konstanter Scherbeanspruchung]]

Viele Stoffe zeigen auch eine zeitliche Viskositätsänderung bei konstanter Scherbeanspruchung. Nimmt die Viskosität mit der Belastungsdauer ab und in Ruhe wieder zu, so spricht man von [[Thixotropie]], im umgekehrten Fall von [[Rheopexie]]. Ist die [[Relaxation (Naturwissenschaft)|Relaxation]] unvollständig, wird also wie etwa bei zuvor stichfestem Joghurt die Ausgangsviskosität nicht wieder erreicht, so spricht man von ''partieller'' oder ''unechter'' Thixotropie bzw. Rheopexie.

== Beispiele ==
Ein weit verbreitetes Beispiel für ein Nichtnewtonsches Fluid entsteht durch Mischung von Wasser und [[Stärke]] (auch „Oobleck“ genannt). Dazu wird Maisstärke in kleinen Portionen in eine Tasse Wasser eingerührt. Wenn sich die Suspension der kritischen Konzentration nähert, zeichnet sich die [[Dilatanz (Fluid)|Dilatanz]] ab. Krafteinwirkung, zum Beispiel durch Stochern mit dem Finger oder schnelles Umdrehen der Tasse, führt dazu, dass sich die Mischung eher als Feststoff denn als Flüssigkeit verhält. Langsamere und sanftere Einwirkung, zum Beispiel das ruhige Einführen eines Löffels, belassen den Stoff im flüssigen Zustand.
Es ist sogar möglich, auf dieser Flüssigkeit zu laufen oder zu hüpfen. Faustschläge werden vollständig absorbiert, und es entstehen zu keinem Zeitpunkt Spritzer.

[[Blutwunder]] wie beispielsweise das des heiligen [[Januarius#Blutwunder|Januarius]] von [[Neapel]], wo sich festes Blut in flüssiges verwandelt, beruhen laut Experten auf den physikalischen Eigenschaften einer Nichtnewtonschen Flüssigkeit.
Eine Rezeptur zur Herstellung einer blutähnlichen Flüssigkeit mit Nichtnewtonschen Eigenschaften aus [[Eisen(III)-chlorid]]-Hexahydrat und [[Calciumcarbonat]] in [[Wasser]] war schon im [[Geschichte der Naturwissenschaften#Naturwissenschaften im Mittelalter|Mittelalter]] bekannt.

== Siehe auch ==
* [[Boger-Fluid]]

== Literatur ==
* Gert Böhme: ''Strömungsmechanik Nichtnewtonscher Fluide.'' Teubner, Leipzig 2000, ISBN 3-519-12354-1.
* Raj P. Chhabra, J. F. Richardson: ''Non-Newtonian flow in the process industries – fundamentals and engineering applications.'' Butterworth-Heinemann, Oxford 1999, ISBN 0-7506-3770-6.
* Bernard D. Coleman et al.: ''Viscometric flows of non-Newtonian fluids – theory and experiment.'' Springer, New York 1966.

== Weblinks ==
* ''[https://www.pro-physik.de/nachrichten/uebers-wasser-staerke-gemisch-gehen Übers Wasser(-Stärke-Gemisch) gehen …]'' vom 11. Juli 2012 – Experiment widerlegt konventionelle Erklärung des Phänomens und zeigt eine schlagartige Verfestigung der Suspension.
* ''[https://www.spiegel.de/video/spektakulaeres-experiment-wie-jesus-uebers-wasser-laufen-video-34319.html Wie Jesus übers Wasser laufen.]'' Videobericht von Spiegel Online über ein Experiment italienischer Wissenschaftler
* [https://www.youtube.com/watch?v=f2XQ97XHjVw Videobeispiel, wie man über das Wasser gehen kann.]

[[Kategorie:Rheologie]]
[[Kategorie:Strömungsmechanik]]
[[Kategorie:Isaac Newton als Namensgeber|Fluid]]

Newtonsches Fluid - Versionsgeschichte

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