Неньютоновская жидкость: что это такое и как сделать дома

В экзаменационных и олимпиадных заданиях по физике и химии встречается понятие неньютоновской жидкости. Рассказываем, что это такое, какими свойствами обладает это вещество и как его сделать в домашних условиях.

Большинство жидкостей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ведут себя предсказуемо: чем сильнее на них воздействуют, тем быстрее они текут. Их называют ньютоновскими — по имени ученого, который описал их поведение.

Но есть вещества, которые меняют свою вязкость в зависимости от того, как к ним прикоснуться. Это неньютоновские жидкости. Если обращаться с ними осторожно, они текут как сметана или мед. Но при резком воздействии неньютоновские жидкости затвердевают.

Так происходит из-за того, что при спокойном движении частицы жидкости свободно скользят друг относительно друга. При резком ударе они «сцепляются» и не дают смеси растечься. Образуется временная твердая структура. Как только нагрузка исчезает, частицы снова расходятся, и вещество возвращается в исходное состояние.

У неньютоновских жидкостей несколько свойств, отличающих их от обычной воды:

• Зависимость от скорости и силы нагрузки. Чем быстрее и резче вы пытаетесь перемешать или ударить по неньютоновской жидкости, тем более твердой она становится.
• Отсутствие брызг при резком ударе. Если бросить камень в воду, брызги разлетятся во все стороны. Если бросить тот же камень в неньютоновскую жидкость, он либо отскочит от поверхности, либо утонет, но почти не поднимет брызг. Энергия удара гасится внутри массы, которая на миг становится твердой.
• Текучесть при медленном воздействии. Неньютоновская жидкость сохраняет способность течь, но только при спокойном обращении. Ее можно переливать из одной емкости в другую, если делать это медленно. Если попытаться вылить ее быстро, она будет вести себя как студень или очень густая сметана.
• Самостоятельное растекание. Некоторые виды неньютоновских жидкостей растекаются по поверхности сами после того, как на них перестали воздействовать.
• Тиксотропия и реопексия. Это более сложные свойства, которые проявляются у разных видов неньютоновских жидкостей. Тиксотропия — это способность при встряхивании или перемешивании становиться более жидкой, а потом, в покое, снова густеть. Реопексия — обратное явление. При встряхивании вещество густеет или твердеет.

Свойства неньютоновских жидкостей используют в промышленности, военном деле, медицине, кулинарии.

Мы сталкиваемся с неньютоновскими жидкостями каждый день.

В природе:

• Болотная трясина. Трясина ведет себя как густая жидкость, если двигаться по ней медленно и осторожно. Но при резком движении она «твердеет» и не дает утонуть мгновенно. Именно поэтому в болотах можно увязнуть, но нельзя быстро провалиться вниз — удар придется по временно затвердевшей поверхности.
• Снежная лавина. Свежевыпавший снег при медленном оседании течет пластично. При резком толчке, например, от крика или вибрации, он обрушится вниз.
• Лава некоторых вулканов. Некоторые виды лавы, особенно богатые кремнеземом, текут медленно и вязко, но при резком сдвиге могут вести себя как твердое тело.
• Кровь. Ее вязкость меняется в зависимости от скорости движения. В мелких капиллярах кровь течет медленно и становится более вязкой. В крупных сосудах она движется быстрее.

В быту и повседневной жизни:

• Кетчуп, горчица, майонез. Соусы в бутылке густые и не выливаются сами. Но стоит встряхнуть или резко надавить на бутылку, они становятся жиже и выливаются. Это эффект тиксотропии — при встряхивании вязкость падает.
• Зубная паста. При спокойном нажатии на тюбик паста выходит ровной колбаской. При резком рывке выплескивается комком. Вязкость пасты зависит от скорости сдвига.
• Краска и строительные смеси. Краска должна быть достаточно жидкой, чтобы ложиться ровно, но достаточно густой, чтобы не стекать с вертикальной стены. Это достигается за счет неньютоновских свойств: при нанесении кистью краска течет, а после прекращения воздействия застывает.
• Жидкое мыло и шампуни. Они должны быть густыми в бутылке, но жидкими на руках — это тоже достигается за счет неньютоновских свойств.

В промышленности и технике:

• Буровые растворы. При бурении скважин используют специальные вещества, которые при перемешивании становятся жидкими, а в покое — густыми. Это помогает удерживать породу во взвешенном состоянии.
• Смазочные материалы. Некоторые современные смазки для подшипников и двигателей меняют вязкость в зависимости от скорости вращения. При медленной работе они гуще, при быстрой — жиже. Это защищает детали от износа.

Самый простой способ познакомиться с неньютоновской жидкостью — сделать ее своими руками. Такой опыт можно провести в рамках школьного проекта или подготовки к лабораторной работе.

Для классического рецепта нам понадобится:

• кукурузный или картофельный крахмал — 1–2 стакана;
• вода — примерно половина стакана;
• миска для смешивания;
• ложка.

Насыпьте крахмал в миску. Медленно добавляйте воду небольшими порциями, постоянно помешивая. Не выливайте всю воду сразу. Перемешивайте смесь ложкой или прямо руками. Добивайтесь консистенции густой сметаны или жидкого меда. Масса не должна быть жидкой, как вода, и не должна быть сухой и рассыпчатой.

Если смесь получилась слишком жидкой, добавьте еще крахмала. Если слишком густой и не течет — добавьте еще немного воды. Правильная консистенция достигается постепенно, небольшими корректировками.

После достижения нужной консистенции попробуйте резко провести пальцем по поверхности. Если палец встречает сопротивление, а след от него сразу затягивается, вы все сделали правильно.

Что важно помнить при проведении опытов:

• Используйте большую миску или глубокий противень. Жидкость может разбрызгиваться при резких ударах.
• Не пробуйте жидкость на вкус. Это не опасно, но неприятно.
• Готовьте жидкость непосредственно перед опытами. Через несколько часов она может расслоиться или засохнуть. Максимальное время хранения в закрытой емкости — сутки.
• Не выливайте остатки в раковину. Застывший крахмал может забить слив. Лучше выбросить массу в мусорное ведро.
• После экспериментов тщательно вымойте руки и посуду. Засохший крахмал отмывается легко, но если оставить его на ночь, придется оттирать.

Приготовление неньютоновской жидкости — это способ удивить друзей, интересно провести время и наглядно понять, как работает один из законов физики.

В «БИТ» ученики изучают естественные науки не только в теории, но и на практике. А ребята, которые хотят заниматься дополнительно, могут записаться в кружок по химии, где вместе с педагогом погружаются в предметную область, проводят эксперименты, готовятся к олимпиадам.