Weird Science

Płyn nienewtonowski

Bar­dzo nie­co­dzienna ciecz - odro­bina teo­rii

Według defi­ni­cji płyn jest to każda sub­stan­cja, która może pły­nąć, czyli dowol­nie zmie­niać swój ksz­tałt w zależn­o­ści od naczy­nia, w którym się znaj­duje, a także swo­bod­nie się prze­miesz­czać (prze­pły­wać). Należy w tym miej­scu pod­kre­ślić, że pojęcie płynu jest szer­sze od pojęcia cie­czy, ponie­waż pły­nem są także wszyst­kie gazy oraz mie­sza­niny zło­żone z różn­ych faz fizycz­nych takie jak: piana, emul­sja czy zawie­sina.

Pod­sta­wową, dającą się mie­rzyć cechą pły­nów jest ich lep­kość (nie należy jej mylić z gęsto­ścią jak to się dzieje w bar­dziej potocz­nym języku). Lep­kość czyli ina­czej tar­cie wew­nętrzne jest wła­ści­wo­ścią pły­nów opi­su­jąca ich opór wew­nętrzny prze­ciw pły­nięciu. Lep­ko­ścią nie jest opór prze­ciw pły­nięciu pow­sta­jący na gra­nicy płynu i ścia­nek naczy­nia, lecz jedy­nie między cząst­kami płynu.

Ze względu na cha­rak­ter zależn­o­ści naprężeń ści­na­jących i szyb­ko­ści ści­na­nia wyróżnia się dwa pod­sta­wowe rodzaje pły­nów:

W przy­padku pły­nów new­to­now­skich (dosko­nale lep­kich) napręże­nia ści­na­jące zależą w spo­sób liniowy od szyb­ko­ści ści­na­nia co widać na poniższym wykre­sie. Jest to tak zwana krzywa pły­nięcia:

Ilustracja

Tego typu model dobrze opi­suje takie płyny jak woda, czy gazy.

Druga kate­go­ria pły­nów nie zacho­wuje tej linio­wej zależn­o­ści czyli nie spełnia prawa New­tona! Lep­kość pły­nów nie­new­to­now­skich nie jest war­to­ścią stałą w warun­kach sta­łego ciśnie­nia i zmie­nia się w cza­sie. Zgod­nie z tą defi­ni­cją krzywa pły­nięcia takiego płynu nie jest funk­cją liniową. Płyny tego rodzaju możemy podzie­lić na:

Dosyć nudze­nia, teraz nieco bar­dziej prak­tycz­nie

Po łyku tej teo­rii możemy zadać sobie pyta­nie, czy to ma cośk­ol­wiek wspól­nego z prak­tyką. Płyny new­to­now­skie - owszem, spo­ty­kamy się z nimi na co dzień: oddy­chamy jed­nym z nich, woda także nie jest dla nas czymś obcym. Nie widzimy więc w nich nic szcze­gól­nego. Ale co z tymi egzo­tycz­nymi, nie­new­to­now­skimi? Otóż nie są one wcale takie egzo­tyczne jak Ci się może wyda­wać- spo­ty­kasz się z nimi na każdym kroku. Jed­nym z przy­kła­dów cie­czy nie­new­to­now­skiej roz­rze­dza­nej ści­na­niem może być na przy­kład ket­chup w butelce: łatwiej wylewa się (w sen­sie fizycz­nym pły­nie) pod­czas potrząsa­nia butelką lub ude­rzeń w jej dno. Innym przy­kła­dem jest bita śmie­tana, która także wyka­zuje mniej­szą lep­kość pod­czas prze­le­wa­nia. Nas jed­nak w tym doświad­cze­niu bar­dziej inte­re­so­wać będzie przy­kład płynu zagęsz­cza­nego ści­na­niem, którym jest odpo­wiedni układ skro­bii ziem­nia­cza­nej i wody.

Przy­stępu­jąc do doświad­cze­nia należu zao­pa­trzyć się w nie­wiel­kie naczy­nie do wymie­sza­nia skład­ni­ków oraz por­cję mąki ziem­nia­cza­nej i zim­nej wody (tem­pe­ra­tura nie wyższa od poko­jo­wej).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Do naczy­nia sypiemy pewną ilość mąki, na początek powiedzmy ćwierć szklanki. Następ­nie ciągle mie­sza­jąc bar­dzo powoli doda­jemy nie­wiel­kimi por­cjami wodę. Począt­kowo mąka będzie nasiąkać wodą, lecz w pew­nym momen­cie osiągniemy sta­dium cie­czy nie­new­to­now­skiej. Łatwo to roz­po­znać po fak­cie, iż im szyb­ciej próbu­jemy mie­szać, tym jest to trud­niej­sze. W eks­tre­mal­nych przy­pad­kach płyn może się wtedy zacho­wy­wać jak pla­styczne ciało stałe (rwać się i drzeć na kawałki, które po usta­niu mie­sza­nia jed­nak "sta­piają się" w jed­no­rodną ciecz). Przy powol­nym mie­sza­niu płyn zacho­wuje się jak nie­zbyt gęsta ciecz. Możemy dodać jesz­cze ostrożnie nie­wielką ilość wody (nie­wielką, ponie­waż dal­sze dole­wa­nie wody może znisz­czyć wła­ści­wo­ści nie­new­to­now­skie i płyn zacz­nie sie zacho­wy­wać jak zwy­kła ciecz). Tak pow­stałą masę należy często mie­szać by zapo­biec roz­war­stwie­niu. Poni­żej gotowy płyn o wła­ści­wo­śćiach nie­new­to­now­skich:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Zabawa z wła­śnie wypro­du­ko­waną przez nas mazią jest naprawdę cie­kawa. Kiedy ener­gicz­nie ude­rzamy łyżeczką lub czymś innym w powierzch­nię cie­czy ugina sie ona jak twarda guma, jeśli jed­nak dotk­nąć jej deli­kat­nie to łyżeczka zanu­rzy się jak w zwy­kłej cie­czy. Wyo­braźmy sobie zatem basen wypełn­iony cie­czą nie­new­to­now­ską - odpo­wied­nio szybko i mocno ude­rza­jąc sto­pami w jej powierzch­nię można po niej bie­gać! Jed­nak w momen­cie zatrzy­ma­nia płyn wokół stóp sta­nie się mniej lepki i zacz­nie się zacho­wy­wać jak zwy­kła ciecz. Rezul­ta­tem jest tonięcie.

Innym rezul­ta­tem tych nie­zwy­kłych wła­ści­wo­ści jest fakt, że możemy lepić z tej mie­sza­niny dowolne ksz­tałty jak w gli­nie. Pamiętajmy jed­nak, że może mieć to miej­sce tylko w warun­kach dyna­micz­nych lub pod ciśnie­niem-musimy więc robić to szybko. W momen­cie kiedy zaprze­sta­niemy ruchu lub wywie­ra­nia ciśnie­nia ciecz zacz­nie pły­nąć pozo­sta­wia­jąc po sobie kałużę.

Wylejmy nieco płynu na pła­ską, gładką powierzch­nię blatu. Widzimy białą kałużę jak w przy­padku zwy­kłej cie­czy. Spróbujmy ją jed­nak szybko zgar­nąć łyżką lub dło­nią. Oka­zuje się, że roz­lana ciecz daje się prze­su­wać po bla­cie (jeśli tylko czy­nimy to odpo­wied­nio szybko), a nawet daje się zła­pać i pod­nieść.

To co tygry­ski lubią naj­bar­dziej, czyli jak tch­nąć życie w por­cję mazi

Docho­dzimy do moim zda­niem naj­cie­kaw­szego i naj­bar­dziej efek­tow­nego zja­wi­ska, jakie można uzy­skać sto­su­jąc tego rodzaju cie­cze. Wymaga ono jed­nak więk­szych przy­go­to­wań niż poprzed­nie doświad­cze­nia. Potrze­bu­jemy:

Pod­łącze­nie jest bar­dzo pro­ste: gło­śnik pod­łączamy typowo do wzmac­nia­cza, wzmac­niacz zaś do gene­ra­tora o regu­lo­wa­nej często­tli­wo­ści (np. wyj­ście karty dźw­ięko­wej). Uru­cha­mia­jąc wzmac­niacz i gene­ra­tor możemy spra­wić, że mem­brana gło­śnika będzie drgała z usta­wioną często­tli­wo­ścią. Następ­nie wyle­wamy nie­zbyt dużą ilość cie­czy nie­new­to­now­skiej na mem­branę (jeśli nie chcemy znisz­czyć gło­śnika możemy na mem­branę poło­żyć art­kusz cien­kiej folii z two­rzywa sztucz­nego i dopiero na nią wylać płyn). Powinno to wyglądać mniej więcej jak na obrazku poni­żej.

Powinno to wyglądać mniej więcej jak na obrazku poni­żej:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Po wyla­niu nie­wiel­kiej ilo­ści cie­czy na mem­branę włączamy całość. Regu­lu­jąc odpo­wied­nio często­tli­wość możemy dopro­wa­dzić do wytwo­rze­nia w cie­czy fali sto­jącej (są to warunki dyna­miczne - w różn­ych miej­scach cie­czy siła drgań będzie różna, może się więc zda­rzyć, że w nie­zbyt odle­głych od sie­bie punk­tach lep­kość cie­czy będzie zna­cząco różna. Leży to u pod­staw obser­wo­wa­nych efek­tów). Ini­cja­cja zja­wi­ska cza­sami wymaga zabu­rze­nia ośrodka (płynu) na przy­kład za pomocą dmuch­nięcia powie­trzem w powierzch­nię płynu przez cieńką rurkę, lub też deli­kat­nego zamie­sza­nia. Innym razem występuje samo­ist­nie. Powierzch­nia cie­czy staje się nie­jed­no­rodna, pewne jej obszary zaczy­nają się zapa­dać. Inne prze­ciw­nie- zaczy­nają się wzno­sić two­rząc cza­sami nawet dosyć wysoko wysta­jące i poru­sza­jące się pal­cza­ste wyrostki. Wygląda to naprawdę inte­re­su­jąco. Całość spra­wia wra­że­nie jakie­goś żywego stwo­rze­nia, cze­goś w rodzaju ameby. Cza­sami nawet pewna część płynu odziela się od reszty i zaczyna się wspi­nać po pochy­łej ścia­nie mem­brany. Zau­ważmy, że wzno­sze­nie się w górę tych wyrost­ków działa prze­ciwko sile gra­wi­ta­cji. Dzieje się to kosz­tem ener­gii drgań mem­brany gło­śnika. Po wyłącze­niu drgań wszyst­kie efekty ustają i płyn spływa na dno mem­brany, by znowu "ożyć" po ponow­nym pobu­dze­niu do drgań. Niżej przed­sta­wiam osiągnięte przeze mnie wyniki uka­zane na fil­miku.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa