Weird Science

Pan Kaye i jego efekt

Płyn, który ska­cze

Są rze­czy na nie­bie i na ziemi, o których się filo­zo­fom nie śniło.

Wiliam Sha­ke­spe­are, tłum: K. Nowak

Może i filo­zo­fom rze­czy­wi­ście się nie śniło o niek­tórych zja­wi­skach, jed­nak fizycy mimo wszystko dążą do ich zgłębie­nia i pozna­nia. Ist­nieje wiele feno­me­nów, w które trudno uwie­rzyć, a jed­nak po głęb­szym zro­zu­mie­niu ich mecha­ni­zmu oka­zują się być całk­iem natu­ral­nymi.

Jed­nym z takich bar­dzo cie­ka­wych zja­wisk jest efekt Kaye'a, opi­sany po raz pierw­szy przez bry­tyj­skiego inży­niera Alana Kaye'a w 1963 roku. Zau­wa­żył on, że ciecz spły­wa­jąca w dół stru­mie­niem zacho­wuje się bar­dzo nie­ty­powo: stru­mień zamiast zlać się z resztą cie­czy okre­sowo "odbija" się od jej powierzchni i wystrze­li­wuje w górę! Widać to na ani­ma­cji:

Ilustracja

Efekt Kaye'a można uzy­skać wyko­rzy­stu­jąc mate­riały dostępne w każdym domu.

Czego potrze­bu­jemy?

Zja­wi­sko Kaye'a występuje w przy­padku cie­czy nie­new­to­now­skich roz­rze­dza­nych ści­na­niem. Skąd wziąć taki płyn? Nie ma tu żad­nej trud­no­ści, ponie­waż takimi pły­nami są w więk­szo­ści szam­pony do wło­sów, płyny do mycia naczyń, a także płynne mydła. Możemy zasto­so­wać dowolny płyn, jed­nak naj­le­piej wypróbo­wać kilka rodza­jów i wybrać po pro­stu ten, który naj­le­piej spełnia swoją rolę.

Musimy teraz zesta­wić układ, który nam umożl­iwi obser­wa­cję efektu. Wybrany płyn musi ciek­nąć nie­wiel­kim, jed­no­rod­nym stru­mie­niem bez żad­nych zawi­ro­wań. Naj­ła­twiej jest to uzy­skać sto­su­jąc nie­wielki zawór oraz cienką rurkę dopro­wa­dza­jącą płyn z umiesz­czo­nego wyżej zbior­nika. Wyso­kość spadku, czyli dłu­gość stru­mie­nia, także musi być regu­lo­wana.

Zau­ważmy, że jeśli płyn będzie wycie­kał po pro­stu do jakie­goś naczy­nia, to poziom cie­czy będzie się ciągle pod­no­sił, a tym samym dłu­gość stru­mie­nia będzie się zmie­niała, co utrudni jej regu­la­cję. Można to roz­wiązać sto­su­jąc nie­wiel­kie pła­skie naczy­nie prze­le­wowe według sche­matu:

Ilustracja

Płyn w naczy­niu prze­le­wo­wym ciągle utrzy­muje jed­na­kowy poziom.

Przed doświad­cze­niem musimy wypełnić naczy­nie prze­le­wowe. Następ­nie odkręcamy zawór, tak by ciecz pły­nęła spo­koj­nie i usta­wiamy dłu­gość stru­mie­nia na około 20cm. Powin­ni­śmy zaob­ser­wo­wać widok podobny jak niżej:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Teraz musimy już tylko odpo­wied­nio wyre­gu­lo­wać dłu­gość i inten­syw­ność prze­pływu płynu, by otrzy­mać efekt Kaye'a! Z łatwo­ścią to zau­wa­żymy, ponie­waż ciecz zacz­nie zacho­wy­wać się zupełnie nie­ty­powo; stru­mień zamiast natych­miast połączyć się z powierzch­nią cie­czy zosta­nie od niej odbity i wyrzu­cony w górę:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Całe doświad­cze­nie ilu­struje także mój film, który zamie­ści­łem poni­żej.

Nie­rzadko możemy obser­wo­wać wie­lo­krotny efekt: stru­mień wtedy odbija się kil­ku­krot­nie od powierzchni płynu, co udało mi się uch­wy­cić na zdjęciu:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Miej­sca zała­ma­nia stru­mie­nia zazna­czono strzałk­ami.

Wyja­śnie­nie

Płyny nie­new­to­now­skie wyka­zują bar­dzo wiele nie­ty­po­wych wła­ści­wo­ści, o których pisa­łem też tutaj. Ogól­nie rzecz bio­rąc płyn nie­new­to­now­ski jest każdym pły­nem, który nie spełnia hydro­dy­na­micz­nego prawa New­tona. W prze­ci­wieńs­twie do płynu new­to­now­skiego, lep­kość pły­nów nie­new­to­now­skich nie jest war­to­ścią stałą, lecz zmie­nia się w cza­sie. Dla­tego krzywa pły­nięcia takiego płynu nie jest funk­cją liniową. W przy­padku kiedy napręże­nie styczne wzra­sta mniej niż pro­por­cjo­nal­nie do wzro­stu szyb­ko­ści ści­na­nia, jest to płyn nie­new­to­now­ski roz­rze­dzany ści­na­niem. Nato­miast kiedy napręże­nie styczne wzra­sta bar­dziej niż pro­por­cjo­nal­nie do wzro­stu szyb­ko­ści ści­na­nia, jest to płyn nie­new­to­now­ski zagęsz­czany ści­na­niem.

Efekt Kaye'a jest jed­nym z efek­tów wisko­e­la­stycz­nych, czyli zacho­dzących w pły­nach nie­new­to­now­skich. Poje­dyn­cze zja­wi­sko trwa około 300 mili­se­kund, ponie­waż wyrzu­cany stru­mień w końcu zde­rza się z dążącym w dół. Dok­tor Deva­raj van der Meer z holen­der­skiego Uni­ver­si­teit Twente otrzy­mał mimo wszystko sta­bilny w cza­sie efekt Kaye'a na pochy­łej powierzchni zwil­ża­nej w spo­sób ciągły roz­two­rem płynu; z jego strony pocho­dzi zdjęcie:

Ilustracja

źródło: http://stil­ton.tnw.utwente.nl/peo­ple/deva­raj/index.html, dostęp: 05.08.2012

Samo zja­wi­sko nie jest jesz­cze w pełni wyja­śnione, jed­nak podej­rzewa się, że w miej­scu zde­rze­nia się stru­mie­nia z powierzch­nią płynu na ich styku docho­dzi do sil­nego ści­na­nia, a tym samym roz­rze­dze­nia cie­czy, która zaczyna dzia­łać lokal­nie jako smar czy swo­i­sta izo­la­cja zmniej­sza­jąca tar­cie. Dzięki temu stru­mień nie łączy się z cie­czą, lecz nie­jako odbija się od niej lub śli­zga po jej powierzchni. Opra­co­wano modele mate­ma­tyczne zja­wi­ska, które dobrze odw­zo­ro­wują obser­wo­wane w rze­czy­wi­sto­ści zacho­wa­nie się płynu.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa