Неньютоновская жидкость

Можно ли где-то использовать?

Несмотря на столь интересные свойства, неньютоновская жидкость не нашла своего практического применения. Ее характеристики настолько неустойчивы и трудно прогнозируемы, что даже в век развития технологий она годится только для игр с детьми.

Огромным достоинством жидкости является ее полная безопасность, поэтому родители могут играть даже с грудными детьми. Если малышу придет в голову попробовать необычную субстанцию, то вреда от этого не будет. Исключение составляют окрашенные жидкости, но если применять пищевые красители, то можно без опасений оставить ребенка одного с такой интересной игрой. Единственное: не удивляйтесь, если по возвращении застанете грязных ребенка, кухню и даже проходящего мимо кота.

Рецепт

Высыпьте приблизительно четверть упаковки кукурузного крахмала в чистую миску и медленно влейте примерно полстакана воды. Помешайте. Иногда удобнее готовить коллоидный крахмальный раствор прямо руками.
Продолжайте добавлять крахмал и воду небольшими порциями до тех пор, пока у вас не получится субстанция, по консистенции напоминающая мед. Это будущая неньютоновская жидкость. Как сделать ее однородной, если все попытки равномерного размешивания оканчиваются провалом? Не беспокойтесь; просто уделите процессу побольше времени. В итоге на одну упаковку кукурузного крахмала у вас, скорее всего, уйдет от одного до двух стаканов воды

Обратите внимание: вещество приобретает большую плотность по мере того, как вы добавляете в него все больше порошка.
Вылейте полученную субстанцию в сковородку или форму для выпечки. Присмотритесь к ее необычной консистенции, пока «твердая» жидкость льется вниз

Перемешайте вещество по кругу указательным пальцем — сначала медленно, затем все быстрее и быстрее, пока у вас не получится удивительная неньютоновская жидкость.

Где применяют неньютоновские жидкости

Аномальные субстанции используют в таких отраслях:

• В военном деле — производство бронежилетов с технологией «жидкой брони». В месте удара наполнитель мгновенно затвердевает. В обычном состоянии жилет мягкий и эластичный.
• В производстве автомобилей. Специальные суспензии добавляют в масла для снижения трения при высоких оборотах мотора.
• В нефтяной промышленности. Полимерные добавки применяют для уменьшения коэффициента сопротивления в трубопроводах.
• В тушении пожаров. Чтобы увеличить длину струи из брандспойта, в раствор для тушения огня примешивают полимеры.
• В косметической промышленности. Синтетические ингредиенты, масла, воски добавляют в состав косметики, чтобы придать вязкость.

Классификация

Существует 3 основных группы аномальных субстанций.

Вязкие

Не зависят от времени. Среди них выделяют вязкопластичные — масляные краски, разновидности пасты. К псевдопластичным веществам относят суспензии полимеров, целлюлозы. При небольшом напряжении они текут. Дилатантные (раствор крахмала, различные типы клея) при интенсивном воздействии густеют.

Нереостабильные

Подвержены временному фактору. Простокваша, кефир, майонез, кетчуп теряют вязкость при взбалтывании. Их называют тиксотропными. Реопектические субстанции со временем уплотняются. Это коллоидные растворы, бентонитовые глины.

Вязкоупругие

Под воздействием силы текут, затем восстанавливают прежнюю структуру. К ним относят некоторые виды смол и тестообразные пасты.

Примеры природных неньютоновских жидкостей — это зыбучие пески, трясина на болоте, грунтовые плывуны.

Опыты и эксперименты для детей младшего возраста

Пожалуй, ни одно научное шоу для детей сегодня не обходится без неньютоновской жидкости: простые и эффектные опыты не требуют больших затрат, а реализовать их под силу любой маме. Нужны всего-то вода и крахмал!

Однажды на таком научном шоу на свежем воздухе довелось наблюдать даже неглубокую длинную яму, наполненную «волшебной» крахмальной смесью: когда ребенок стоял в ней, то погружался в жидкость, а когда бежал, то она чудесным образом превращалась под его ногами в твердую поверхность. Ну, если разогнаться как следует!

Как играть с неньютоновской жидкостью?

Можно сминать ее в руках, отмечая, как она внезапно становится твердой, но пластичной; лепить фигурки, которые тут же растекаются лужицей. Интересный эффект получается, если попытаться переливать неньютоновскую жидкость из чашки в чашку: она течет ровной струей, но стоит встряхнуть посуду, и жидкость затвердевает, словно по команде «замри!»

Неньютоновская жидкость реагирует не только на механическое воздействие, но и, к примеру, на звуковые волны; если у вас есть достаточно мощный динамик, она будет «танцевать» под музыку. если потихоньку подсыпать в нее при этом пищевые красители, эффект будет незабываемым!

Наконец, если не жалко крахмала, можно наполнить неньютоновской жидкостью ванну – не до верха, разумеется, только сантиметров 10. Детям нравится прыгать на твердой поверхности, и, остановившись, «тонуть» в ней!

Типы неньютоновского поведения

Резюме

Классификация жидкостей с напряжением сдвига как функцией скорости сдвига.

Загуститель сдвига

Вязкость загущающей жидкости при сдвиге или дилатантной жидкости, по-видимому, увеличивается при увеличении скорости сдвига. Кукурузный крахмал, суспендированный в воде («oobleck», см. ), является типичным примером: при медленном перемешивании он выглядит молочно-белым, при интенсивном — кажется очень вязкой жидкостью.

Разжижающая жидкость для сдвига

Краска — это неньютоновская жидкость. Плоская поверхность, покрытая белой краской, ориентируется вертикально (перед съемкой плоская поверхность была горизонтальной, помещена на стол). Жидкость начинает стекать по поверхности, но из-за своей неньютоновской природы подвергается напряжению из-за гравитационного ускорения . Поэтому вместо того, чтобы скользить по поверхности, он образует очень большую и очень плотную каплю с ограниченным стеканием.

Знакомый пример противоположности — жидкость для разжижения сдвига или псевдопластическая жидкость — это краска для стен : краска должна легко стекать с кисти при нанесении на поверхность, но не капать чрезмерно

Обратите внимание, что все тиксотропные жидкости сильно разжижаются при сдвиге, но они в значительной степени зависят от времени, тогда как коллоидные жидкости, «разжижающие при сдвиге», мгновенно реагируют на изменения скорости сдвига. Таким образом, чтобы избежать путаницы, последнюю классификацию более четко называют псевдопластической.

Другой пример жидкости, разжижающей сдвиг, — кровь. Это применение очень популярно в организме, поскольку оно позволяет снизить вязкость крови с увеличением скорости сдвига.

Бингем пластик

Жидкости, которые имеют линейную зависимость напряжения сдвига / деформации сдвига, требуют конечного напряжения текучести, прежде чем они начнут течь (график зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига не проходит через начало координат). Эти жидкости называются пластиками Бингема . Несколько примеров — глиняные суспензии, буровой раствор, зубная паста, майонез, шоколад и горчица. На поверхности пластика Bingham могут оставаться выступы, когда он неподвижен. Напротив, ньютоновские жидкости в неподвижном состоянии имеют плоские безликие поверхности.

Реопектическое или антитиксотропное

Есть также жидкости, скорость деформации которых зависит от времени. Жидкости, которые требуют постепенного увеличения напряжения сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектичными . Противоположным случаем является жидкость, которая со временем разжижается и требует уменьшения напряжения для поддержания постоянной скорости деформации ( тиксотропная ).

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Определение 2

Если в движущихся частицах их вязкость зависит только от природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие элементы в физике называют ньютоновскими.

Реальные жидкости на практике могут быть неньютоновскими и ньютоновскими.

В ньютоновских веществах при движении одного потока жидкости относительно другого показатель касательного внутреннего напряжения пропорционален скорости сдвига.

При относительном и стабильном покое эти напряжения всегда равны нулю. Такая закономерность была впервые установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти объекты (масло, вода, бензин, глицерин, керосин и др.) носят названия ньютоновские. Указанные жидкости не оснащены большой подвижностью и отличаются от неньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений в состоянии покоя.

Замечание 1

Ньютоновскими считаются достаточно большая часть жидкостей, с которыми ученые привыкли иметь дело: водные растворы, вода, нефтепродукты, ацетон и так далее.

При ламинарном незапланированном течении элементы между двумя плоскопараллельными пластинкам осуществляют работу с постоянной скоростью v под воздействием силы F, а нижняя линия остается неподвижной. В основном слои жидкости перемещаются с различными скоростями — от максимальной у самой верхней пластинки до абсолютного нуля у нижней.

Течение ньютоновских жидкостей полностью подчиняется уравнению Ньютона-Петрова, то есть касательное и внутреннее напряжение, а также градиент плотности линейно зависимы, а параметр пропорциональности η между указанными величинами выступает в качестве связующего звена.

Неньютоновские жидкости не поддаются принципам и законам обычных жидкостей. Эти вещества меняют собственную плотность и вязкость при влиянии на них физической силой, причем не только механическим действием, но и даже звуковыми нестабильными волнами.

Если воздействовать на неньютоновскую жидкость только механическими усилиями, возможно получить совершенно иной эффект:

• исследуемый объект начинает принимать характеристики твердых тел и вести себя как физическое вещество;
• связь между молекулами жидкости будет автоматически усиливаться с ростом силы влияния на нее;
• вязкость неньютоновских жидкостей возрастет при уменьшении скорости тока самой жидкости.

Пример 1

Например, водный раствор крахмала при разных ситуациях ведет себя по-разному в зависимости от внешнего воздействия.

Объяснение опыта

Что происходит с жидкостью, когда вы пытаетесь на нее воздействовать (например, размешиваете ложкой воду в кастрюле)? Вы перемещаете одну часть жидкости (рядом с ложкой) относительно другой (у стенки кастрюли). При этом разрываются связи, удерживающие молекулы воды вместе – именно на это затрачиваются ваши усилия. Одни жидкости (и, кстати, газы тоже) перемешивать легче, другие – труднее.

Интуитивно очевидное с детства понятие на самом деле выражается через соотношение нескольких физических величин, значение которых будет непросто объяснить ребенку. Если вы все же решите это сделать, то расскажите ему об эксперименте с прямоугольной трубой, наполненной жидкостью.

Итак, представьте себе трубу, в которой находится жидкость. Ее верхний слой вы перемещаете с определенной скоростью, в то время как до дна просто не достаете – там жидкость неподвижна. Между верхним и нижним слоем жидкости возникает касательное напряжение – оно тем выше, чем большую силу вы прикладываете для перемещения верхнего слоя, и тем меньше, чем шире труба.
ῖ=F/S
Однако помимо ширины трубы имеет значение ее высоты. Она определяет скорость деформации жидкости она тем выше, чем быстрее течет верхний слой жидкости, и тем меньше, чем ниже труба.
Ῠ=v/H
Соотношение между ῖ и Ῠ называют коэффициентом динамической вязкости (или просто вязкостью) и обозначают буквой η.

Для множества жидкостей существует линейная зависимость между ῖ и Ῠ, собственно она такова и для воды

Именно на это обратил внимание Исаак Ньютон, заметивший, что грести веслами быстро намного тяжелее, чем делать это медленно:. «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

«Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

Их, в свою очередь, можно разделить на несколько классов:

• Псевдопластик — при медленных движениях вязкость велика, затем убывает.

• Дилатантная жидкость — вязкость растёт с увеличением скорости.

Именно к последним (дилантантным) относится разведенный в воде крахмал: его молекулы слишком велики, чтобы разные слои жидкости могли свободно двигаться один относительно другого, при резком смещении слоев они буквально «цепляются» друг за друга.

1.11.2018

Видео предоставлено автором – фотографом Анной Масловой (Sunni)
  
  Школа, о детях от 7 до 10 лет, Познавательное

Применение неньютоновских жидкостей

На сегодняшний день неньютоновсские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека рассмотрим некоторые из них:

1. В военном масштабном производстве. В США на базе данных жидкостей, министерство обороны запустило производство универсальных бронежилетов для военных. Эти приспособления по своим характеристикам значительно лучше обычных, так как легче по весу и намного проще в изготовлении. Материал, из которого состоят эти бронежилеты, называется $d3o$. Данное сырье относят к дилатантным ньютоновским жидкостям.
2. В автомобильной промышленности. Также неньютоновские жидкости применяются в автомобильной промышленности. Дизельные и моторные масла синтетического производства на основе изучаемых объектов постепенно уменьшают начальную вязкость в несколько десятков раз, при внезапном повышении оборотов двигателя, позволяя при этом в значительной степени уменьшить трение в моторе. Неньютоновские жидкости используют в новейших технологиях для осуществления качественной амортизации некоторых элементов механических машин. Реологические эксперименты позволяют решать сложные гидродинамические задачи.
3. В нефтепромышленности. Практический и особый интерес представляет также активное использование специфических реологических методов. Так, небольшие полимерные добавки к нефтепродуктам и воде оснащают жидкость новыми реологическими свойствами, благодаря чему мгновенно снижается гидравлическое сопротивление при стремительном турбулентном течении. Неньютоновские жидкости обладают рядом уникальных особенностей, благодаря которым снижение силы трения происходит быстро и легко.
4. В пожаротушении и мореплавание. В 50-е годы американские спасатели начали добавлять новые полимерные добавки в жидкость, которая вытекала из брандспойта, при этом длина струи возрастала в полтора раза. Можно также увеличить скорость судна посредством впрыскивания возле его носовой части малых количеств ньютоновского раствора. Имеется теория, что дельфины и другие обитатели океанов тоже «применяют» данный эффект для уменьшения нежелательного гидродинамического сопротивления.
5. В косметологии. Чтобы косметика смогла в течение длительного времени держаться на коже, ее необходимо сделать вязкой, будь это блеск для губ или жидкий тональный крем. В массовом производстве косметики часто используют специальные вещества, которые называются модификаторами итоговой вязкости. В домашней косметике для аналогичных целей применяют разные масла и воск.

О вязкости

Сэр Исаак Ньютон утверждал, что вязкость, или резистентность жидкости к течению, зависит от температуры. Так, к примеру, вода может превратиться в лед и обратно именно под воздействием нагревающих или охлаждающих элементов. Однако некоторые субстанции, существующие в мире, меняют вязкость вследствие применения силы, а не изменения температуры. Интересно, что к неньютоновским жидкостям причисляют повсеместно применяемый томатный соус, который становится жиже при условии длительного размешивания. Сливки же, наоборот, загустевают при взбивании. Этим веществам не важна температура — вязкость неньютоновских жидкостей меняется ввиду физического воздействия.

Как играть?

Разобравшись, как сделать дома неньютоновскую жидкость, возникает вопрос, что с нею делать. Дети могут сами убедиться в изменении ее свойств следующим образом:

• Раскатывая шарик в руках, который будет ощущаться как твердое тело, но сразу же растечется после прекращения воздействия;
• Разминая смесь в руках или выливая ее из одной посудины в другую (если лить с достаточной высоты, то в другой посудине она будет больше похожа на твердую глину);
• Используя мощные колонки, на которые кладется пленка и выливается жидкость (если включить песню с достаточными вибрациями, то получатся так называемые «прыгающие червячки»).

В процессе тестирования жидкости, возьмите посудину поглубже и сделайте так называемый бассейн для игрушки. Если ребенок будет пытаться ею прыгать или бежать по поверхности, то она останется твердой. Но стоит остановиться, как игрушка утонет, будто в обычной воде.

Особенности приготовления

Для создания неньютоновской жидкости в домашних условиях следует взять холодную воду, крахмал (кукурузный или картофельный – не важно), глубокую посудину. Алгоритм приготовления:

• Высыпайте крахмал в посудину (не бойтесь сыпать больше, чтобы получить достаточное количество субстанции);
• Добавляйте туда воду и медленно помешивайте смесь;
• Вода добавляется до тех пор, пока не получится масса, схожая с киселем;
• Мешать лучше руками, а также можно добавить краситель для получения цветной субстанции;
• Перемешивание нужно продолжать до образования однородной смеси.

Чтобы убедиться, что вы правильно смешали воду с крахмалом, рукой помешайте субстанцию, постепенно ускоряясь. Жидкость начнет затвердевать, а вы почувствуете, как сопротивление будет усиливаться с увеличением силы перемешивания. Как только рука остановится – смесь снова станет обычной жидкостью. После этого можно показывать фокус ребенку и играть с ним.

Неньютоновскую жидкость можно сделать с клеем ПВА и бурой, но тогда нужно пристально следить, чтобы дети не потянули интересную штуку в рот. Для этого понадобится два стакана с водой (один заполнен наполовину, другой на три четверти), стакан клея и столовая ложка буры. Клей добавляют в более полный стакан, а буру в заполненный до половины. Обе смеси тщательно размешивают и соединяют в одной посудине. Держать такую субстанцию лучше в холодильнике, ведь каждый раз готовить заново не очень удобно.

Классификация неньютоновских жидкостей

Известные классификации неньютоновских жидкостей изначально построены на эмпирических формулах, которые связывают скорость деформации и вязкость. По этим уравнениям исследователи выстраивают кривые течения жидкостей.

Согласно методам Ньютона-Петрова, график зависимости внутреннего напряжения от градиента начальной скорости представляет собой прямую линию, которая выходит из начала координат. Наклон данной прямой прямо пропорционален плотности ньютоновской жидкости. Неньютоновскими, или аномальными, называют такие жидкости, течение которых не может подчиняться закону Ньютона, для них все касательные напряжения обозначаются более сложными зависимостями, чем формулы Ньютона-Петрова.

Замечание 2

Таких, аномальных с точки зрения современной гидравлики, жидкостей крайне немало.

Они широко применяются в химической нефтяной, перерабатывающей и других сферах промышленности.

Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы:

• неньютоновские вязкоупругие жидкости;
• неньютоновские нестабильные жидкости;
• неньютоновские вязкие жидкости.

К первой группе ученые относят только вязкие (или стационарные) жидкости, характеристики которых находятся вне зависимости времени. По виду таких кривых выделяют следующие жидкости этой подгруппы: псевдопластичные, бингамовские и дилатантные.

Ко второй группе жидкостей принято относить неньютоновские жидкие вещества, свойства которых зависят от времени. Эти жидкости на данный момент подразделяют на тиксотропные и реопектические.

К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелловские элементы. Кажущаяся вязкость этих веществ уменьшается под влиянием напряжений, после снятия которых объекты частично восстанавливают начальную форму. К этому типу жидкостей возможно причислить некоторые пасты и смолы тестообразной консистенции

Реологические модели жидкостей

Классификация производится по зависимости вязких напряжений от скорости сдвига (градиента скорости) γ˙=|∂v→∂z|{\displaystyle {\dot {\gamma }}=\left|{\frac {\partial {\vec {v}}}{\partial z}}\right|}, где v→{\displaystyle {\vec {v}}} — скорость течения.

• Ньютоновская жидкость — линейный закон: σ=αγ˙{\displaystyle \sigma =\alpha {\dot {\gamma }}}
• Степенная жидкость — нелинейная, закон степенной: σ=αγ˙n{\displaystyle \sigma =\alpha {\dot {\gamma }}^{n}}
  • Псевдопластик — n<1{\displaystyle n<1}, при медленных движениях вязкость велика, затем убывает.
  • Дилатантная жидкость — n>1{\displaystyle n>1}, вязкость растёт с увеличением скорости.
• Бингамовский пластик (бингамовская жидкость, модель Бингама) подобна модели сухого трения:

σ={σ+αγ˙,γ˙>−σ+αγ˙,γ˙<{\displaystyle \sigma ={\begin{cases}\sigma _{0}+\alpha {\dot {\gamma }},{\dot {\gamma }}>0\\-\sigma _{0}+\alpha {\dot {\gamma }},{\dot {\gamma }}<0\end{cases}}}

Наглядным примером бингамовской жидкости является краска — за счёт действия связующих веществ возникает порог для напряжения сдвига, и она способна образовывать неподвижные слои на вертикальных поверхностях. Любые другие жидкости будут стекать вниз. Для неньютоновских жидкостей возможно наблюдение и других эффектов, связанных с нелинейностью либо существованием порога. Стоит отметить, что усложнение зависимости вязких напряжений заставляет отказаться от «традиционного» уравнения Навье — Стокса для ньютоновской жидкости путём усложнения модели вязкого тензора.

Отдельным случаем неньютоновских жидкостей являются тиксотропные и реопексные жидкости, вязкость которых изменяется с течением времени.

Другая классификация — по зависимости вязкости η{\displaystyle \eta } от величины скорости сдвига γ˙{\displaystyle {\dot {\gamma }}}:

• dηdγ˙>{\displaystyle {\frac {d\eta }{d{\dot {\gamma }}}}>0} соответствует случаю дилатантной жидкости;
• dηdγ˙<{\displaystyle {\frac {d\eta }{d{\dot {\gamma }}}}<0} соответствует случаю псевдопластической жидкости.

Типичными примерами дилатантных жидкостей являются концентрированные суспензии твёрдых частиц (например, зыбучий песок); псевдопластических — полимерные расплавы и растворы.

Опыты

Как в целях научного познания, так и просто ради развлечения, можно попробовать провести следующие опыты:

• Проведите пальцем по поверхности получившегося сгустка. Заметили ли вы что-нибудь?
• Погрузите всю кисть руки в загадочное вещество и попытайтесь сжать его пальцами и вытащить наружу из контейнера.
• Попробуйте покатать субстанцию в ладонях, чтобы слепить шарик.
• Можно даже со всей силы хлопнуть по сгустку ладонью. Присутствующие зрители наверняка разбегутся в стороны, ожидая, что их сейчас обрызгает крахмальным раствором, однако необычное вещество останется в контейнере. (Если, разумеется, вы не пожалели крахмала.)
• Зрелищный эксперимент предлагают видеоблогеры. Для него вам понадобится музыкальная колонка, которую следует аккуратно обтянуть плотной пищевой пленкой в несколько слоев. Вылейте раствор на пленку и включите музыку на большой громкости. Вы сможете наблюдать потрясающие визуальные эффекты, возможные только при применении этого уникального состава.

Если вы проводите эксперимент в лаборатории перед школьниками или студентами, спросите их, почему неньютоновская жидкость ведет себя именно таким образом. По какой причине она кажется твердым телом, если сжать ее в руке, но при этом течет, как сироп, если разжать пальцы? По окончании дискуссии можно упаковать сгусток в большой пластиковый пакет с застежкой-молнией, чтобы сохранить его до следующего раза. Он пригодится вам для демонстрации свойств суспензии.