ダイラタンシー 流体。 文系でもわかるレオロジー

ダイラタンシー現象と液状化現象の違い

ダイラタンシー 流体

ダイラタンシーとは?原理を簡単に説明すると ダイラタンシー現象とは、 物体の内部に力がかかり、液体の状態から固体に変化する現象です。 原理を身近な例として 「 水溶き片栗粉」で説明しますね。 片栗粉を水に溶いて混ぜるとトロトロした状態、つまり液体ですね。 このとき、片栗粉の粒子(小さい粒々)が水にたくさん漂っている状態なんです。 ではこの トロトロした液体に力を加えると、漂っていた小さな粒々が一箇所にギュッと集まって 圧縮され かたまりになります。 つまり、小さな粒子が密集して粒子間の隙間が小さくなり、強度が増し固体になっているんですね。 では、この 力を加えることを止めると小さな粒々がばらけて粒子の隙間が広がり、 元のトロトロした状態の 液体へと戻ります。 水:片栗粉の割合 10:16 実際に家で実験する時は少しずつ水を加えて、混ぜながら作ってくださいね。 今回は片栗粉1袋 150g につき200~250 mLくらいできました。 ダイラタンシー流体は衝撃を吸収する? ダイラタンシー流体は、叩いたり握ったりすことで表面に力がかかると、表面の粒子が密集し、水分が内側に入り込んでいきます。 そのため、表面は硬くなります。 しかしそのまま置いておくと、粒子が元の状態にもどり間に水が入り込んでいくので、液体に戻ります。 叩くと硬くて、ゆっくりだと手を沈めることができ、握ると硬くなり、離すとトロトロの液体になります。 このことから ダイラタンシー流体は、衝撃を吸収するので衝撃吸収材としても利用されています。 衝撃を吸収するということから、防弾チョッキにも応用できないかということで、ダイラタンシーを応用した新素材は現在研究中とのことです。 ダイラタンシーが衝撃を吸収する動画を見つけましたので参考までに^^ まとめ 自由研究で小学5年生の息子が取り組んだダイラタンシー。 完成したときはギュッと握っては放して、ギュッと握っては放しての繰り返しで完全に遊びに入ってました。 親から見ても触って遊んでるとおもしろく不思議な体験ができます。 片栗粉以外だったらコンスターチなどでもダイラタンシー現象をみることができます。 家にある身近な材料で作れますので、今年の自由研究にトライしてみてはいかがでしょうか。

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流体研files ‐東北大学 流体科学研究所‐

ダイラタンシー 流体

片栗粉を水に溶いて濃厚な混合物を作ると、 急激な変形に対しては固体的に振る舞い、 ゆっくりとした変形に対しては流動性を示す。 いわゆるダイラタント流体である。 この流体の不思議な性質は、米村でんじろう先生 1 の功績もあり、 一般に知られるようになったが、 どのようなメカニズムでこのような振る舞いが現れるかについて、 必ずしも共通の理解があるわけではない。 しかしながら、 日本語のWikipediaの「ダイラタンシー」の項目にある記述には、 明らかな間違いといくつかの混乱が見られる 2。 Wikipediaの記述を正そうと思ったが、 Wikipediaがどのような仕組みで運営されているのか充分理解していないので、 まず、自分のサイトにダイラタント流体についてまとめてみて、その後に、 可能であればWikipediaの編集に加わることにした。 米村でんじろうのワクワク地球実験室: 2005年「地球は生きている」• Wikipedia: レイノルズ Reynolds によって見出された、 粉体媒質の振る舞いに関する原理 1。 密に充填された粉粒体媒質を変形すると、 粒子間の空隙が増して媒質全体の体積が膨張すること。 逆に、体積が膨張できないような状況では、 粉粒体媒質は変形できず固体のように振る舞う。 例えば、砂浜の波打ち際などを歩いていると、 踏みつけられた砂地の周辺が乾いて見えることがある。 それは、踏まれた砂地の内部で、 変形にともない砂粒の間の空隙が大きくなり、 水がそこに吸収された結果、表面が乾くのである。 コーヒー豆の真空パックなどが、 開封後はフニャフニャして自由に変形できるのに、 密閉状態では剛体のように振る舞うのも、 粉体媒質の膨張の原理で理解できる。 即ち、 変形する為には体積が増えなければならないので、 パッケージの中が減圧されていると、 体積を増やす為に大気圧に抗して大きな仕事をする必要があり、 容易に変形できない。 "On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact. With experimental illustrations" ダイラタント流体 dilatant fluid 非ニュートン流体の一種で、ずり速度とともに粘度が大きくなるもの。 外力により変形を受けると固化する様子が、 上記のレイノルズの膨張の原理に従う粉体媒質の振る舞いに似ていることから、 ダイラタント流体と呼ばれるようになった 1。 最も身近で典型的な例は、片栗粉と水の濃厚な混合物。 数ミクロン程度の粒径の揃った粉粒体と液体の混合物は、 しばしば急激な変形に対して粘度が不連続に増加する 2。 即ち、ゆっくりと外力を加えた場合には、 液体が粉粒体粒子の間の潤滑剤として働き、混合物は流体のように振る舞うが、 急に加えられた外力に対しては非常に大きな抵抗を示し、固体のように振る舞う。 ダイラタント流体のこの性質と、 レイノルズの膨張原理 dilatancy principle との関連は明らかではないが、 片栗粉と水の混合物中で急激に棒を動かした際に、表面が乾いて固化するのは、 レイノルズの膨張原理で説明されている 3。 即ち、変形にともない粉粒体の体積が膨張し、 それによってできた媒質内部の空隙に水が吸収されて、表面が乾く。 その結果、水の表面が粒径程度の曲率半径を持ち、 表面張力によって媒質に大きな負の内圧がかかる 4。 その負力の為、粒子が互いに押しつけられ、 その結果組まれた粉体粒子のアーチ構造で大きな負圧を支える為に、 媒質が固化するのである。 ネット上では、 「外力により粉体粒子が最密充填され、その結果固化する」といった記述が、 しばしば見られる。 しかし、外力によって粉粒体の充填密度が増加するというのは レイノルズの膨張の原理に反し、根拠に乏しい。 上で与えた通常の説明はその逆である。 即ち、あらかじめ最密充填に近い状態にある粉体媒質が、 外力による変形で空隙が増して膨張し、その結果、固化するというものである。 "Thixotropy, influenced by the orientation of anisometric particles in sols and suspensions" 2. "Shear Thickening of Cornstarch Suspensions as a Reentrant Jamming Transition" 3. "Dilatancy, jamming, and the physics of granulation" 4 曲率半径が10ミクロン程度の水の表面が与える負圧は0. 1気圧程度。 shear thickening, jamming コロイド分散系におけるずり粘化 shear thickening コロイド分散系とダイラタント流体は、どちらも微小な固体粒子を液体 に分散させた系である点が似ている。 両者の大きな違いは、熱揺らぎに起因す る粒子のブラウン運動が無視できるかどうかにある。 濃厚なコロイド分散系は、通常、ずり流とともに粘性が小さくなるずり薄化 shear thinning を示すが、 更に大きなずり流の下では急激なずり粘化を示すことがある。 コロイド分散系のずり薄化は、 静止状態ではブラウン運動の為に乱雑に配置していたコロイド粒子が、 ずり流とともに流れに沿って層状に整列し、 その為にずり抵抗が小さくなると理解されている。 更に大きなずり流の下では、この層構造が液体の流れの為に壊され 再びずり抵抗が大きくなるというのが、 コロイド分散系でのずり粘化の伝統的な説明であった 1-4。 このような整列状態や それから無秩序状態への遷移が見られる場合があるものの 1,5 、 整列状態が現れない場合や、 不連続なずり粘化転移の前後で粒子の配位の明確な変化がない例 6,7,9 が いくつも報告されていることから、疑問視された。 これに対して、数値シミュレーションで見出された 高ずり流での粒子クラスターがずり粘化の原因であるとする説が現れた 8-10。 粒子クラスターによるずり粘化の説明は以下のようなものである。 ずり流の下で圧縮方向に高密度な粒子クラスターが形成され、 ずり流とともに生成と崩壊を繰り返す。 特に、一度近づいた2つの粒子が、粒子間の流体力学的な相互作用の結果、 ずり流に乗った近接粒子がすれ違う時間よりも ゆっくりとしか離れられない場合には、このクラスターは大きく成長する。 このようなクラスター内の粒子同士はほとんど接触するほど近接しており、 その結果、粒子間に働く潤滑力 lubrication force が支配的となって、 それによる散逸がずり粘化を引き起こすというのである。 中性子の小角散乱実験でクラスター生成と矛盾しない結果が得られたり 9 、 また、流れ場の方向に配向した棒状の粒子系でも 球状粒子系と同様の不連続なずり粘化が生じるにもかかわらず、 不連続粘化の前後で棒状粒子の配向に特段の変化が見られないことなどから 11 、 現在では、 上のような流体力学的メカニズムによるクラスター生成が ずり粘化の原因であるという説が有力である。 最近になって、 数値シミュレーションで見られたようなクラスター 8 が実際に観測されたという 報告も現れた 12。 一方、 通常のコロイド粒子よりも大きな粒子からなるダイラタント流体の激しいずり粘化は、 コロイド分散系とは異なり、 接触する粒子間の相互作用が重要な役割を果たしていると考えられている。 "Discontinuous and Dilatant Viscosity Behavior in Concentrated Suspensions I. Observation of a Flow instability" 2 "Discontinuous and Dilatant Viscosity Behavior in Concentrated Suspensions II. Theory and Experimental Tests" 3. "Explanations for the cause of shear thickening in concentrated colloidal suspensions" 4. "Shear-Thickening "Dilatancy" in Suspensions of Nonaggregating Solid Particles Dispersed in Newtonian Liquids" 5. "Nonequilibrium behavior of dense suspensions of uniform particles: Volume fraction and size dependence of rheology and microstructure" 6. "Rheological and small angle neutron scattering investigation of shear-induced particle structures of concentrated polymer dispersions submitted to plane Poiseuille and Couette flow" 7. "Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition" 8. "The rheology of concentrated suspensions of spheres in simple shear flow by numerical simulation" 9 , "Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions" 10. "The rheology and microstructure of acicular precipitated calcium carbonate colloidal suspensions through the shear thickening transition" 12. "Imaging the Microscopic Structure of Shear Thinning and Thickening Colloidal Suspensions" ダイラタント流体と粘弾性体との違い チューインガムのような高分子の溶融体なども、 急激な変形に対しては固体の弾性体として振る舞い、 ゆっくりとした変形に対しては流動性を示す。 短い時間は固体、 長い時間では液体として振る舞う点はダイラタント流体と似ているが、 こちらは粘弾性体と呼ばれている。 粘弾性体とダイラタント流体の振る舞いの最も大きな違いは、 急激な外力に対して、 粘弾性体はゴムのように大変形をするのに、 ダイラタント流体はほとんど変形を許さず、 限界を超えると脆性破壊してき裂を生じる点であろう。 また、ダイラタント流体は外力を除くと直ちに流動化するのに対して、 高分子溶融体が流体として振る舞うのは、 通常、数分以上の長い時間スケールに対してである。

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創成化学工学実験

ダイラタンシー 流体

ダイラタンシーを作る実験 目的 ダイラタンシー現象とは、物体の内部に力がかかり、液体の状態から固体に変化する現象です。 原理としては、物体(本実験では片栗粉を使用)の粒子(小さい粒子)に力が加わると、 その微細な粒子が密集して粒子間の隙間が小さくなり、強度が増し固体になります。 しかし力を加えるのを止めると再び粒子の隙間が広がり、元の液体へと戻ります。 今回の実験により、ダイラタンシー現象を身近な材料から作ることにより、科学の見方を子どもたちに提供します。 水の量は本実験では片栗粉2に対して水1を使用しました。 水を加えたらよくかき混ぜます。 実験方法 出来上がったダイラタンシーは握っている時は固いですが、手を広げると液体に戻ってしまいます。 ダイラタンシーを握った直後の写真。 指の跡が付いているのが分かります。 ダイラタンシーを丸めてみました。 丸めたダイラタンシーは、手を広げた直後もとに戻ってしまいます。

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