Марк Медовник - Жидкости

Описанный выше раствор кукурузного крахмала иногда называют ублеком (название взято из книги Доктора Сьюза «Бартоломью и Ублек»). Неньютоновское поведение ублека полностью объясняется его внутренней структурой. На микроскопическом уровне он полон крохотных частиц крахмала, очень плотно подвешенных в воде. При низких скоростях у них достаточно времени, чтобы найти пути обхода друг друга — примерно как пассажиры, выходящие из переполненного поезда. Крахмал при этом течет нормально. Но если приложить усилие и попытаться заставить его двигаться быстро, частицы не будут успевать обходить друг друга и всё остановится. И так же, как пассажиры в потоке не могут двигаться, если те, кто впереди, стоят, так и застревание всего нескольких частиц крахмала останавливает остальные. Вот почему вся жидкость встает колом, становясь всё более вязкой.

Ублек — не единственная неньютоновская жидкость. Если вам доводилось покрывать стену эмульсионной краской, вы, возможно, замечали, что в банке она кажется очень густой, чуть ли не как желе. Но если последовать инструкции и тщательно перемешать ее, то в процессе она станет жидкой, а затем, стоит вам прекратить размешивание, снова превращается в желе. Это тоже неньютоновское поведение, но здесь жидкость, наоборот, становится более жидкой под действием приложенной силы. Причина опять же кроется во внутренней структуре. Эмульсионная краска — просто вода со множеством подвешенных в ней крошечных капелек масла. Когда им позволяют успокоиться, они притягиваются друг к другу и образуют крохотные связи, запирая воду в промежутках и образуя слабую структуру — желе. Когда же вы размешиваете краску, молекулярные связи, соединяющие крохотные капельки масла, разрываются, высвобождая воду и позволяя ей течь. То же происходит, когда вы подвергаете краску давлению, размазывая ее кистью по стене. Но как только она оказывается на стене и давление на нее исчезает, связи между капельками масла снова формируются, краска становится вязкой и образует толстый слой, который не капает и не стекает вниз. По крайней мере, такова теория; очевидно, всё сводится к тому, насколько хорошо химики, составлявшие краску, могут контролировать связи между капельками масла, их размер и количество. Добиться правильного соотношения непросто, вот почему банка хорошей краски стоит так дорого.

Даже если вы не художник и не декоратор, вы наверняка встречались с неньютоновскими жидкостями на кухне. Подобно водоэмульсионной краске, томатный кетчуп под давлением становится более текучим. Он не согласен выливаться на тарелку, пока вы не стукнете по дну бутылочки; ударное давление заставляет его стать жидким и вылететь из горлышка. Вот почему так трудно контролировать скорость, с которой он выливается из бутылки: если сила недостаточно велика, он течет очень медленно, но стоит стукнуть как следует, как вязкость внезапно падает и соус заливает всю тарелку.

Один из самых опасных вариантов неньютоновского поведения наблюдается при смешивании песка с водой; при этом возникает субстанция, которую часто называют зыбучим песком. Пока на него не оказывается давление, он ведет себя как полутвердое вещество, а под давлением становится текучей жидкостью — происходит процесс разжижения. Вот почему, если вы попали в зыбучий песок, борьба и движения с целью выбраться из ловушки разжижают его и вы погружаетесь всё глубже. Вопреки всему, что вы видели в кино, вы вряд ли утонете, погрузившись с головой в зыбучий песок; поскольку плотность этой жидкости выше плотности вашего тела, она, после того как вы погрузитесь по пояс, начнет вас выталкивать вверх. И все же выбраться из зыбучего песка очень трудно: если вы не двигаетесь, то жидкость густеет и твердеет вокруг вашего тела, а если двигаетесь, разжижается и вам трудно найти опору. Иными словами, вы застреваете и вынуждены дожидаться спасения извне — здесь-то вас и поджидает смертельная опасность.

Но есть явление и поопаснее зыбучего песка — разжижение, связанное с землетрясениями. Здесь, еще в одном примере неньютоновской жидкости, давление от колебаний разжижает почву, вызывая, как правило, серьезные разрушения. Вспомните хотя бы землетрясение 2011 г. в Новой Зеландии: оно обрушилось на город Крайстчерч и вызвало сильное разжижение грунтов. В результате были разрушены дома и на город хлынули тысячи тонн песка и пыли.

Как оказалось, неньютоновское разжижение как раз и нужно было Ласло Биро, чтобы заставить газетные чернила работать в авторучке. Он предположил, что чернила с таким свойством будут легко вытекать при письме, а на бумаге снова станут густыми и вязкими и высохнут так быстро, что не размажутся. Ласло начал работу по изобретению идеальной ручки вместе с братом-химиком; преодолев множество препятствий, в том числе эмиграцию в Аргентину в самом начале Второй мировой войны, они в итоге сумели создать работающий инструмент. В их ручке есть резервуар с чернилами, питающий крохотный вращающийся шарик; когда вы пишете, шарик вращается, оказывая на чернила достаточное давление, чтобы изменить их вязкость, и они начинают течь из резервуара на него. В этот момент они вновь становятся густыми и клейкими и остаются такими до тех пор, пока не попадут на бумагу; там они вновь начинают течь. Когда вы поднимаете ручку, освобождая чернила от давления, они густеют, а растворители в них, впервые оказавшиеся под воздействием воздуха, быстро испаряются, оставляя на бумаге красители и создавая таким образом прочную отметку. Гениально!

Как вы, вероятно, догадываетесь, с годами ингредиенты таких прекрасных чернил стали производственным секретом. Но если вы хотите понять, насколько они хороши, напишите что-нибудь на листе бумаги шариковой ручкой, а потом попытайтесь это стереть пальцем или хотя бы размазать. Это трудно. Но это не единственное преимущество неньютоновских чернил в шариковых ручках перед более текучими чернилами авторучек. Поскольку они текут не под действием капиллярных явлений, они не сочатся, впитываясь в бумагу. Чернила химически составлены так, что имеют низкое поверхностное натяжение, вступая в контакт с волокнами целлюлозы, а также керамической пудрой и пластификаторами, которые добавляют в верхний слой бумаги, чтобы сделать его глянцевым (так называемое проклеивание). Чернила для авторучек и другие жидкие чернила обладают высоким поверхностным натяжением по отношению к проклеиванию, остаются на поверхности глянцевой бумаги и разбиваются на крохотные капельки. Если вы когда-нибудь пытались написать что-нибудь на обложке глянцевого журнала авторучкой или, скажем, подписаться ей на обороте кредитки, вы наверняка замечали, что чернила на нее не ложатся. Но чернила из шариковой ручки сохнут, кажется, всюду и остаются там, куда вы их нанесли — даже если вы пишете вниз головой, — потому что они не текут под действием силы тяжести, а накатываются на страницу.