Обзор на материалы для проектной работы «Неньютоновские жидкости»
Неньютоновской жидкостью называют жидкость, свойства которой обратны свойствам ньютоновской жидкости. Ньютоновская жидкость является исходным понятием реологии, науки, изучающей деформации и текучесть вещества. Это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, т. е. касательное напряжение и градиент скорости в ней линейно зависимы (градиент — вектор, указывающий направление наибольшего возрастания какой-либо величины) [1]. Отсюда можно сделать вывод, что неньютоновская жидкость — это жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости не линейно. Чаще всего такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Простейшим примером является смесь крахмала с небольшим количеством воды [2]. Подобные жидкости называются дилатантными. Они представляют собой вещества, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости воздействия. Дилатантный эффект наблюдается в материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с заполняющей оставшееся пространство жидкостью. При низких скоростях сдвига слоёв материала относительно друг друга жидкость действует как смазка, и дилатантный материал способен легко перетекать. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнять свободные пространства, образующиеся между движущимися частичками, и поэтому трение между частичками сильно возрастает, что приводит к увеличению вязкости. Подобные жидкости используются в машиностроении (некоторые системы полного привода используют вязкостные муфты, наполненные дилатантной жидкостью) и военной отрасли (в качестве своеобразного наполнителя бронежилетов) [3].
Также в качестве примера неньютоновских жидкостей можно привести зыбучие пески. Это пески, перенасыщенные воздухом (газом, горячими парами) или влагой восходящих источников способны засасывать вглубь попадающие на них предметы и животных. Когда он находится в состоянии покоя, он кажется твёрдым, но небольшие изменения в напряжении на его поверхности приводят к существенному уменьшению его вязкости. Чтобы выбраться из зыбучего песка, нужно приложить огромные усилия. Сила, необходимая для того, чтобы вытащить ногу из зыбучего песка со скоростью 1 см/с, равна силе, которая потребуется, чтобы поднять легковую машину средних размеров [4].
Одним из эффектов, демонстрирующих интересные свойства неньютоновских жидкостей, является эффект Вайсенберга. Эффект Вайсенберга — явление, характерное для некоторых неньютоновских жидкостей, например растворов жидких полимеров. Вместо отбрасывания, цепочка полимеров наматывается на стержень. Явление названо по имени австрийского физика Карла Вайсенберга.
Технически, эффект заключается в следующем: если в ёмкость с раствором полимеров поместить вращающийся стержень, то вокруг стержня уровень жидкости начнёт повышаться, раствор будет «наматываться» на стержень. Цепочки полимеров закручиваются вокруг стержня, пока он вращается, а свободные концы в основной массе раствора оказываются спутанными. Во время вращения стержня конец цепочки завёрнут на нём и находится под натяжением (сила натяжения действует на каждый конец). При попытке уменьшения расстояния между двумя концами полимер пытается смещаться вверх или вниз по стержню к области, где стержень меньше обмотан полимерной цепочкой, а эффективный диаметр (диаметр стержня плюс обёрнутая вокруг цепочка) меньше, и расстояние, соответственно, короче [5].
В качестве объекта наблюдения за свойствами неньютоновской жидкости может также выступать слайм. Слайм — игрушка, впервые выпущенная компанией Mattel в 1976 г. Состоит из вязкого желеобразного материала, обладающего свойствами неньютоновской жидкости. Основным компонентом слайма, выпущенного Mattel, была гуаровая камедь. Он был зелёного цвета и продавался в пластиковой баночке. С тех пор его выпускало много других компаний, но название закрепилось. На постсоветском пространстве игрушка известна как «лизун». Вреда здоровью не несёт, однако желательно избегать попадания на слизистые оболочки. Основные компоненты — полисахарид (гуаровая камедь) и бура. Вместо полисахарида могут использоваться другие полимеры.
Слайм интересен своими свойствами. Материал похож на слизь, но при этом не разливается и легко собирается. Если слайм оставить в покое, он начинает растекаться по поверхности, а при резком воздействии уплотняется, и, например, при ударе по куску материала можно видеть, как он рвётся [6].
Источники:
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. Том 3.Гл. ред. . Ред. кол. , М.: «Советская энциклопедия», 1988
Неньютоновские жидкостиМ.: Мир, 1964. — 216 с.
(Дата обращения 10.12.16)
Дилатантные жидкости. [Электронный ресурс] Режим доступа: