Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Жидкости делятся по вязким свойствам на два вида: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит только от ее природы и температуры. Для ньютоновских жидкостей сила внутреннего трения прямо пропорциональна градиенту скорости. Для них непосредственно справедлива формула Ньютона (1), коэффициент вязкости в которой является постоянным параметром, не зависящим от условий течения жидкости.

Неньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости  которой зависит не только от природы вещества и температуры, но также и от условий течения жидкости, в частности, от градиента скорости. Коэффициент вязкости в этом случае не является константой вещества. Зависимость силы вязкости от градиента скорости становится нелинейной. Примерами таких жидкостей являются кровь и другие суспензии.

Кровь – неньютоновская жидкость

То, что кровь является неньютоновской жидкостью, обусловлено в наибольшей степени тем, что она обладает внутренней структурой, представляя собой суспензию форменных элементов в растворе – плазме. Плазма – практически ньютоновская жидкость. Поскольку 93% форменных элементов составляют эритроциты, то при упрощенном рассмотрении кровь – это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Характерным свойством эритроцитов является тенденция к образованию агрегатов. Если нанести мазок крови на предметный столик микроскопа, то можно видеть, как эритроциты «склеиваются» друг с другом, образуя агрегаты, получившие название «монетных столбиков». Условия образования агрегатов различны в крупных и мелких сосудах. Это связано в первую очередь с соотношением размеров сосуда, агрегата и эритроцита (характерные размеры: d_эр  8 мкм, d_агр  10 · d_эр  80 мкм).

Здесь возможны варианты (рис. 2).

1. Крупные сосуды (аорта, артерии): d_сос  d_агр, d_сос  d_эр. При этом градиент скорости небольшой, эритроциты собираются в агрегаты в виде монетных столбиков (рис.2а). В этом случае вязкость крови  = 0,005 Пас.

Рис.2а

2. Мелкие сосуды (мелкие артерии, артериолы): d_сос  d_агр, d_сос = (5  20) d_эр. В них градиент значительно увеличивается и агрегаты распадаются на отдельные эритроциты (рис. 2б), тем самым уменьшая вязкость системы. Для этих сосудов, чем меньше диаметр просвета, тем меньше вязкость крови. В сосудах диаметром d_сос  5 d_эр вязкость крови составляет примерно 2/3 вязкости крови в крупных сосудах.

Рис.2б

3. Микрососуды (капилляры): d_сос  d_эр. В живом сосуде эритроциты легко деформируются, становясь похожими на купол (рис.2в), и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. В результате поверхность соприкосновения эритроцитов со стенкой капилляра увеличивается по сравнению с недеформированным эритроцитом, способствуя обменным процессам.

Рис.2в

Таким образом, внутренняя структура крови, а, следовательно, и ее вязкость, оказывается неодинаковой вдоль кровеносного русла в зависимости от условий течения. Кровь является неньютоновской жидкостью. Зависимость силы вязкости от градиента скорости для течения крови по сосудам не подчиняется формуле Ньютона и является нелинейной.

Вязкость крови возрастает как с ростом числа эритроцитов, так и с увеличением их объема, например, когда в крови повышается содержание СО₂ (явление Гамбургера). Отсюда понятно, что венозная кровь менее текуча, чем артериальная.

Изменение вязкости крови – одна из причин изменения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

Вязкость крови человека обычно колеблется от 4 до 5 мПас, а при патологии может изменяться от 1,7 до 22,9 мПас. Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается.

Для сравнения в таблице 1 приведены коэффициенты вязкости некоторых жидкостей, здесь же указана температура, при которой измерялась вязкость, так как температура оказывает весьма значительное влияние на вязкость.

Таблица 1. Коэффициенты вязкости некоторых жидкостей

Жидкость	Температура, С	Коэффициент вязкости , 10-3 Пас
Вода	0	1,8
	20	1,0
	100	0,3
Кровь	37	 4
Плазма крови	37	 1,5
Глицерин	20	1500
Этиловый спирт	20	1,2