Неньютоновская жидкость своими руками: что это и как приготовить ее дома

Еще в 1686 году Исаак Ньютон обратил внимание, что в жидкостях при движении одного слоя относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Поэтому жидкости, которое подчиняются этому закону, например, воду или бензин, называют ньютоновскими жидкостями.

В противовес этим жидкостям выступают неньютоновские. Они не обладают большой подвижностью и имеют касательные напряжения в состоянии покоя. 

Неньютоновская жидкость – это такая жидкость, у которой скорость течения пропорциональна касательному напряжению, где вязкость является коэффициентом пропорциональности. Как правило такая жидкость состоит из крупных молекул – они образовывают сложные пространственные структуры. В отличие от ньютоновской, неньютоновская имеет внутреннее трение, когда находится в состоянии покоя.

Степень вязкости изменяется в зависимости от того, насколько быстро происходят сдвиги слоев жидкости, пройденного времени и приложенных усилий. В отличие от воды или бензина, неньютоновская жидкость на плоских вертикальных поверхностях способна находиться в неподвижном состоянии благодаря возникновению порогового напряжения сдвига.

Если с неньютоновской жидкостью взаимодействовать медленно, она будет больше похожа на смазку, а если быстро – она станет похожа на твердое тело. Такое свойство неньютоновской жидкости можно сравнить с мокрым песком на пляже. Если по нему идти, то следы от ног будут более глубокие, чем если по нему бежать.

Такие неньютоновские жидкости под воздействием даже слабого внешнего усилия ведут себя как твердые, но при превышении порога сопротивления они текут как обыкновенные жидкости. Это происходит из-за того, что у них жесткая пространственная внутренняя структура, которая сопротивляется любым внешним напряжениям, если они меньше критической величины. Обычно такие неньютоновские жидкости по своей структуре похожи на суспензии. Так, например, масляная краска или даже болотная трясина – это ни что иное, как вязкопластичная неньютоновская жидкость.

Эти жидкости отличаются от предыдущих тем, что не умеют ощущать предел текучести. Они больше похожи на ньютоновские, потому что при малейшем значении сдвига начинают становиться текучими – чем больше скорость сдвига, тем меньше вязкость этих жидкостей. Из примеров псевдопластичных жидкостей – концентрированные растворы и расплавы многих полимеров с длинными цепями. 

Дилатантные чем-то похожи на псевдопластичные. Для них тоже неощутим предел текучести. Однако есть и важное отличие – у дилатантных жидкостей вязкость наоборот становится больше, когда скорость сдвига растет. Дилатантный эффект можно наглядно проследить в крахмальном клейстере – там, когда скорость сдвига низкая, слои работают друг для друга как смазки и легко перетекают. Стать более вязкими такие жидкости могут при увеличении трения, когда на скорости жидкая фаза не может успеть заполнить пустоту между частичками.

Когда соседние слои частиц (молекул) в жидкости движутся относительно друг друга, они соударяются, благодаря чему скорости в различных слоях выравниваются, а энергия любого внешнего воздействия переносится в пространстве. В таких случаях говорят о силах внутреннего трения, или о вязком трении. Зависимость между вязким трением и скоростью относительного движения слоев называют динамической вязкостью. В большинстве знакомых нам жидкостей вязкость мало зависит от характера внешнего воздействия. Их движение описывается законами Ньютона, а сами жидкости называются ньютоновскими. К ним относятся вода и водные растворы, спирт, бензин и нефтепродукты.

Однако существуют и неньютоновские жидкости, вязкость которых в значительной мере определяется характером внешнего воздействия. Попробуйте размешать в воде некоторое количество крахмала. «Попробуйте» здесь — весьма важное слово. По привычке вкладывая в этот процесс много сил, вы вскоре почувствуете, что ложка застревает в суспензии, как в застывшем цементе. Не сдавайтесь и не разбавляйте вещество дополнительной порцией воды. Просто сбавьте скорость, и вы вдруг обнаружите, что ложка свободно проходит сквозь суспензию, как сквозь воду. Попробуйте ударить по жидкости кулаком и резко отдернуть руку — кожа даже не намокнет. А если намешать целую ванну такой массы, на ней можно будет танцевать. Но стоит на секунду замедлить танец — и вы пойдете ко дну. Так-то!

Чтобы поставить опыт с динамиком, в качестве генератора низкой частоты (наш выбор — 30 Гц) мы использовали мобильный телефон на Android с соответствующим приложением. Если хотите сберечь динамик, накройте его пищевой пленкой — на результат опыта это никак не повлияет.

Благодаря своим свойствам неньютоновские жидкости нашли свое применение в военном производстве. Так, в США выпускали более легкие бронежилеты из материала d3o, который состоит из дилатантных неньютоновских жидкостей. Суть в том, что бронежилеты сделанные из этого материала имеют универсальную упругость – если нажимать на них несильно, они будут эластичными, но при резком контакте, например, таком как встреча с пулей, они становятся очень твердыми.

Неньютоновские жидкости входят в основу моторных масел. Когда количество оборотов двигателя увеличивается, такие масла позволяют уменьшить трение в двигателе. Кроме того, неньютоновские жидкости применяются для амортизации некоторых элементов транспорта и как рабочие жидкости гидравлических систем.

Еще в середине прошлого века пожарные стали добавлять в жидкость из брандспойта добавки в виде неньютоновских жидкостей. Такое решение позволяло увеличить длину струи в полтора раза.

Чтобы увеличить скорость судна, мореплаватели стали впрыскивать в воду у носовой части небольшое количество растворов из неньютоновской жидкости. 

Любой косметический продукт продержится на коже дольше, если его консистенция вязкая. В массовом производстве косметики неньютоновские жидкости используют как модификаторы вязкости. Особенно сильная вязкость у уходовых кремов или мазей, за счет этого свойства они дольше держатся на коже, тем самым увлажняя ее.

Неньютоновские жидкости позволяют улучшить внешний вид блюд и сделать их более аппетитными. С помощью таких добавок можно красиво оформить еду или доработать ее форму. Ингредиенты, содержащие неньютоновские жидкости, – это, например, майонез, соусы, маргарин, масло, йогурт, мед.

В медицине знание того, как работают неньютоновские жидкости помогает определять и контролировать вязкость крови. Так, слишком густая кровь может помешать доступу кислорода в органы. Кроме того, в медицине чаще всего используются именно мази, потому что они дольше держатся на коже и способствуют ее регенерации.