https://dzen.ru/a/YphtXXi-zCVNFNrD?from_site=mail
Странности неньютоновских жидкостей. Почему они могут внезапно стать твёрдыми?
2 июня 2022
8,8K прочитали
Человек, как и все живые существа на Земле, не может обходиться без жидкости. Без воды так точно, хотя кто-то умудряется не мыслить своего бытия без пива или шоколадного сиропа. Но замечали ли вы когда-нибудь, что не все жидкости ведут себя одинаково? Некоторые из них при тех или иных обстоятельствах начинают «оригинальничать», и причины подобного поведения до сих пор остаются загадкой для науки. Впрочем, один ответ не так давно был все же получен – благодаря стеклянным шарикам и лазеру.
Все жидкости, с которыми можно столкнуться в реальном мире, принадлежат к одной из двух категорий. Они либо ньютоновские, либо неньютоновские. Первые ведут себя самым естественным образом. Вода, набранная в ладошку, будет стремиться проскользнуть сквозь пальцы. Сироп тоже потечет вниз, но медленнее. У сладкоежки будет время, чтобы слизать его, пусть даже частично, а не полностью. Из чего мы легко можем сделать вывод, что он гораздо более вязкий, чем вода.
Вязкость – это, упрощенно говоря, мера сопротивления жидкости своему течению. Обуславливается она трением составляющих это вещество молекул. Ньютоновская жидкость подчиняется Закону вязкости, сформулированному сэром Исааком Ньютоном. Это означает, что ее вязкость постоянна и не меняется даже под воздействием посторонней силы.
Неньютоновские жидкости, тем временем, способны демонстрировать другое значение этого параметра, что приводит к очень интересным эффектам.
Неньютоновские жидкости подразделяются на несколько категорий. Есть, например, дилатанты, которые при приложении к ним силы увеличивают вязкость. Это, в частности, зыбучий песок, «жвачка для рук» и смесь крахмала с водой.
В последнем случае, если легонько пошевелить в растворе пальцами, крошечные частички крахмала свободно перемещаются вместе с молекулами воды, однако если сильно надавить, крахмал затвердеет, причем на удивление плотно. Если в бассейн, наполненный водой, насыпать достаточное количество крахмала, то по образовавшейся поверхности можно будет бегать, аки посуху. Главное – не оскорбить чувства верующих :)
Другие жидкости при приложении силы теряют вязкость. Это, например, кетчуп, относящийся к категории псевдопластиков. В обычном состоянии он просто находится внутри бутылки, но если несколько раз стукнуть по названному сосуду, он начнет выливаться.
Кетчуп состоит из полимеров – длинных цепочек атомов. Изначально они запутаны, благодаря чему крепко держатся друг за друга. При встряхивании эти структуры растягиваются и выравниваются – именно в этот момент красная жидкость проливается на картофель, мясо, курицу, брюки и рубашку :)
При этом, многие примеры странного поведения неньютоновских жидкостей не имеют пока объяснения. Не так давно ученым удалось найти ответ на загадку, существующую уже более 50 лет. Она дала о себе знать в 60-х годах прошлого века в процессе извлечения нефти посредством жидкостей, содержащих длинноцепные полимеры. Закачка этих вытесняющих растворов в грунт происходила штатно лишь до определенной скорости подачи, но при преодолении этого рубежа жидкость становилась намного более вязкой.
Случалось это только при прохождении раствора через пористые породы, оказывавшие ощутимое сопротивление. Если же «отпора» не было, вязкость при увеличении скорости закачки падала, как у того же кетчупа. Какое-то время считалось, что полимеры закупоривают поры в породах, но это не объясняло, почему раствор снова становился текучим после снижения скорости потока. Объяснение данному феномену было предложено в конце 2021 года.
Авторы этого исследования создали из стеклянных бусин среду, имитирующую ту, что находится под землей. Затем был получен полимерный раствор с коэффициентом преломления, как у стекла – это позволило добиться одинаковой рефракции жидкости и твердого вещества.
Чтобы увидеть траекторию движения раствора между гранулами, ученые добавили в него красный краситель, который при облучении лазером излучал свет на определенной длине волны. Для визуализации перемещения жидкости были использованы частицы-индикаторы, светящиеся другим цветом под воздействием ещё одного лазера.
В результате возникает давление на соседние молекулы и создается так называемая «эластичная турбулентность», в результате появляются вихри и замедляется поток. Схема получилась довольно мудреной, однако она показала, что жидкость разбивается на слои, перемещающиеся с разной интенсивностью, а длинные полимеры при увеличении скорости движения начинают «кувыркаться».
Вязкоупругая жидкость движется через пористую среду. Когда скорость потока низкая (слева), жидкость течет плавно. Но при более высокой скорости потока (справа) полимеры в жидкости заставляют поток становиться хаотичным, с закрученными вихрями,
Исследователи считают, что их выводы относительно того, почему вытесняющие жидкости обретают внезапную вязкость, могут привести к разработке, например, новых методов очистки грунтовых вод. Возможно и появление неких полимерсодержащих растворов, которые будут фильтровать воду, прогоняя её через те или иные породы. Но чтобы добиться этого, предстоит проделать серьезную работу, так как феномен эластичной турбулентности изучен пока явно недостаточно.
Линейный вид
