2. Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Для многих жидкостей вязкость не зависит от градиента скорости (вязкость постоянна), такие жидкости подчиняются уравнению Ньютона (1), их называют ньютоновскими. Это обычные среды: воздух, вода, глицерин, ртуть и т.д. Жидкости, не подчиняющие уравнению (1), имеющие не постоянную вязкость, относят к неньютоновским. Иногда вязкость ньютоновских жидкостей называют нормальной, а неньютоновских — аномальной.
Жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул, например растворы полимеров, и образующие благодаря сцеплению молекул или частиц пространственные структуры, являются неньютоновскими. Их вязкость при прочих равных условиях много больше, чем у простых жидкостей. Увеличение вязкости происходит потому, что при течении этих жидкостей работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной, ньютоновской, вязкости, но и на разрушение структуры. Кровь является неньютоновской жидкостью, т.к. представляет собой суспензию форменных элементов в плазме. Форменные элементы, на которые в норме приходится 45% объема крови, включают эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Эритроциты намного многочисленнее других форменных элементов и поэтому полностью определяют механические свойства крови.
Плазма крови – раствор крупных молекул, но при масштабах движения и при скоростях сдвига, обычно встречающихся в кровеносных сосудах, ее можно считать однородной ньютоновской жидкостью с вязкостью 0.0012 – 0.0016 Па.с (37град С).
В мельчайших кровеносных сосудах кровь нельзя полагать однородной жидкостью, т.к. диаметры эритроцита (8 мкм) и капилляра сравнимы по величине. В сосудах же диаметром более 100 мкм кровь может рассматриваться как однородная среда, поскольку характерные размеры микроструктуры много меньше характерных размеров течения. Поэтому в крупных сосудах кровь можно считать ньютоновской жидкостью с вязкостью 0.004 Па.с (4 мПа.с или 40 мП) при 37 градС (см. рис.2 – 4).
КРУПНЫЕ СОСУДЫ
dсос > d агр , d сос >> dэритр
Рис. 2
МЕЛКИЕ СОСУДЫ
dсос = dагр , dсос =(5-20) dэритр
Рис. 3
МИКРОСОСУДЫ
dсос < dэритр
Рис. 4
В определенном диапазоне скоростей сдвига кровь является неньютоновской жидкостью. При скорости сдвига выше 100 1/с вязкость не зависит от скорости сдвига (ньютоновская жидкость). Доказано, что физической основой зависимости кажущейся вязкости крови от скорости сдвига, определяющей ее свойства как неньютоновской жидкости, могут служить изменения суспензионной стабильности крови и связанная с этим агрегация эритроцитов. Предполагают, что свойства крови как неньютоновской жидкости зависят также от способности эритроцитов к деформации. При низких скоростях сдвига (ниже 100 1/с) в крови имеются агрегаты эритроцитов в виде монетных столбиков. Эти агрегаты распадаются по мере увеличения скорости сдвига, вязкость снижается (крупные сосуды). Благодаря дисковидной форме клеток и эластичности оболочки суспензия эритроцитов обладает сравнительно невысокой вязкостью, что важно для уменьшения нагрузки на сердце, которое прокачивает кровь по кровеносным сосудам. Увеличение жесткости стенок эритроцитов при патологических процессах приводит к возрастанию вязкости крови и к ухудшению кровообращения.