Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Чернила в шариковой ручке, однослойная краска и масло — все это псевдопластичные жидкости. Когда вы на эти жидкости нажимаете и пытаетесь заставить их двигаться — шариком ручки, кистью или ножом, — вы уменьшаете их вязкость и они начинают течь сравнительно легко. Как только воздействие прекращается, вязкость опять становится слишком большой и течь такие жидкости не могут.

Густой раствор крахмала в воде является загустителем , поскольку в этой жидкости относительное движение приводит к увеличению вязкости. Такие жидкости называют дилатантными . (К разбавленному раствору крахмала в воде это не относится.) Если ударить по густому раствору крахмала ладонью, относительное движение слоев жидкости мгновенно так увеличит вязкость, что этот раствор станет практически недеформируемым, и всплеска уж точно не будет, хотя почти сразу вязкость уменьшается и смесь опять может течь. Мгновенное увеличение вязкости происходит, по-видимому, из-за того, что молекулы крахмала ориентируются в направлении, перпендикулярном направлению течения, и тормозят его. Как только прекращается воздействие, затрудняющее течение, ориентация молекул снова становится произвольной. Если пригоршню такого густого раствора бросить на пол, в момент удара он поведет себя как твердое тело, но затем сразу растечется по полу. Если погрузить туда достаточно большой стержень или ложку, а затем рывком поднять ее вверх, возможно, удастся на мгновение поднять и раствор крахмала, и кастрюлю, в которой он находится.

Жвачка для рук и лизун тоже сделаны из вязких неньютоновских жидкостей. Положите эти игрушки на край стола так, чтобы они с него слегка свисали. Под действием направленной вниз силы тяжести они будут потихоньку стекать вниз. Если, как при ударе, на них действует большая по величине кратковременная сила, они напоминают упругий мячик: в этом случае длинные молекулы этих материалов свернуты в спираль и ведут себя как пружинки. Например, если неожиданно потянуть в разные стороны за два конца полоски из жвачки для рук, она разломится примерно так, как разломился бы металлический стержень, который тянут в разные стороны. А еще и жвачку, и лизун можно резать ножницами. Когда лезвия резко надавливают на эти жидкости, сдвигая их слои, они становятся твердыми и хрупкими.

Еще один интересный эффект можно наблюдать, если проталкивать жвачку для рук через узкую трубочку. Когда она появится с другого конца, мы увидим, что площадь ее поперечного сечения увеличилась. Это так называемый эффект Баруса — разбухание струи , выходящей из капилляра при продавливании растворов полимеров. Он обусловлен тем, что длинные молекулы полимера возвращаются в исходное состояние, после того как он был сжат при протягивании через трубку.

Некоторые неньютоновские жидкости могут откачивать сами себя из сосуда. Если часть такой жидкости вы подтянете к краю лабораторного стакана, а затем перекинете через край, она потечет по внешней стороне стакана, поднимая и перекачивая через край оставшуюся жидкость.

Почему, если начать размешивать некоторые консервированные супы, например томатный, а потом вытащить ложку, последние несколько секунд до остановки он будет вращаться в противоположном направлении? Чтобы это увидеть, добавьте сначала в концентрированный томатный суп немного воды (меньше, чем указано в инструкции). Затем проведите испытание, освещая поверхность супа.

ОТВЕТ •Размешивая суп, вы не только прикладываете усилие к ложке, двигая ею в супе, но и вынуждаете различные слои супа двигаться друг относительно друга. Относительное движение, так называемое сдвиговое течение , приводит к разматыванию длинных молекул, которые в нормальном состоянии скручены в спираль. Когда движение ложки и сдвиговое течение останавливаются, молекулы сразу стремятся свернуться обратно в спиральки, меняя направление вращения, как если бы суп был упругим веществом.

Пустите шампунь для волос или жидкое мыло для рук тоненькой струйкой на плоскую поверхность. У ее основания образуется небольшое возвышение, которое затем растекается лужицей. Почему, если некоторые жидкости лить с определенной высоты, струя, попадая на поверхность, иногда отскакивает далеко в сторону?

ОТВЕТ •«Прыгучие» шампуни относятся к так называемым вязкоупругим жидкостям : они одновременно и вязкие (внутреннее трение препятствует их движению), и упругие (ведут себя как резиновая пленка). Вязкость шампуня достаточно велика, когда он медленно движется в льющейся струйке и внутри возвышения. Однако, когда струйка попадает на возвышение, соударение создает сдвиг, благодаря чему один вязкий слой быстро движется по другому вязкому слою. Такое движение уменьшает вязкость в этом месте струйки. Поскольку жидкость упругая, неожиданное уменьшение вязкости позволяет сталкивающимся объемчикам отскакивать наподобие резиновых мячиков. Так струя образует широкую, растягивающуюся в сторону от струйки и возвышения петлю (рис. 2.18). Петля существует так недолго, что видна только ее верхняя часть и создается впечатление, что струйка шампуня отскакивает от возвышения в основании струйки.

Рис. 2.18 / Задача 2.60.Кажется, что струйка льющегося шампуня отскакивает от образовавшегося на поверхности возвышения.

Если вставить вращающийся стержень в сосуд с водой, вода начнет вращаться вокруг стержня, образуя направленную вниз воронку. Если заменить воду яичным белком, моторным маслом или некоторыми другими жидкостями, то они, вращаясь, начнут наматываться на стержень. Такое поведение жидкостей называется эффектом Вайсенберга .

ОТВЕТ •Поведение жидкостей обусловлено тем, что вращающийся стержень увлекает за собой жидкость. Чтобы представить себе, как происходит такое сдвиговое течение, положим, что слои жидкости заключены в цилиндрические оболочки с осью на оси стержня. При вращении стержень увлекает за собой внутреннюю оболочку. Эта оболочка скользит относительно следующей, заставляя вращаться и ее. Таким образом, оболочка за оболочкой жидкость втягивается во вращение. Поскольку движение связано с тянущими и скользящими усилиями, говорят, что оболочки испытывают действие сдвигающих напряжений. Когда речь идет о воде, уже через несколько слоев сдвиг практически не ощущается, и поэтому чем выше, тем вращение меньше. Однако есть жидкости, молекулы которых связаны друг с другом, образуя цепочки. Цепочки настолько перепутаны, что ведут себя как упругие полоски. Вращающийся стержень наматывает на себя такие «полоски», так что сначала они подтягиваются к стержню, а затем сдвигаются по нему вверх.