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:
- Newtonowskie
- Nienewtonowskie (można tu wydzielić wiele podgrup: plastycznolepkie, pseudolepkie, tiksotropowe i wiele innych)
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:
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:
- zagęszczane ścinaniem (im bardziej chcemy je zmusić zewnętrzną siłą do płynięcia, tym bardziej lepkie się stają)
- rozrzedzane ścinaniem (przeciwnie niż w poprzednim przypadku-wykazują mniejszą lepkość w warunkach dynamicznych).
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).
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:
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:
- świeżo przygotowaną w poprzednio opisany sposób ciecz nienewtonowską (raczej nieco gęstszą-nie rozwadniać zbytnio)
- wzmacniacz m-cz (audio, przynajmniej średniej mocy)
- głośnik podobnej mocy co wzmacniacz, najlepiej okrągły, z membraną z tworzywa sztucznego (w toku doświadczenia najprawdopodobniej ulegnie zniszczeniu więc nie radzę stosować nowego sprzętu, a raczej coś co i tak planowaliśmy wyrzucić)
- generator częstotliwości akustycznej (sinus, najlepiej zakres od 1 Hz. Dobrze nadają się programowe generatory komputerowe)
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:
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:
- Rao M.A., Rheology of Fluid and Semisolid Foods: Principles and Applications (2nd ed.), Springer, 2007, str. 8
- Schramm L.L., Emulsions, Foams, and Suspensions: Fundamentals and Applications, Wiley VCH, 2005, str. 173
- Tropea C., Yarin A.L., Foss J.F., Springer handbook of experimental fluid mechanics, Springer, 2007, str. 661-676
Marek Ples