Pan Kaye i jego efekt
Płyn, który skacze
Są rzeczy na niebie i na ziemi, o których się filozofom nie śniło.
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
- Ball P., Puzzle of leaping liquid solved, Nature, opublikowano on-line: 6.04.2006
- Kaye A., A Bouncing Liquid Stream, Nature, 1963, 197, str. 1001-1002
- Versluis M., Blom C., van der Meer D., van der Weele K., Lohse D., Leaping shampoo and the stable Kaye effect, Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, Vol. 2006
Marek Ples