Неньютоновская жидкость и магнитная мешалка. Non-Newtonian fluid and magnetic stirrer

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление движущимся телам (сдвигающим усилиям). Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. Для "обычных", или ньютоновских жидкостей сопротивление движению тел пропорционально скорости их движения относительно жидкости. К таким жидкостям, например, относятся: вода, четыреххлористый углерод, серная кислота, спирт, гексан, нефть и технические нефтепродукты, многие водные растворы. Почему их называют "ньютоновскими"? Потому что именно на таких жидкостях Исаак Ньютон сформулировал закон вязкости (внутреннего трения) жидкостей. В упрощенном виде он формулируется так:

"Сила вязкого трения F, действующая на жидкость, пропорциональна (в простейшем случае сдвигового течения вдоль плоской стенки) скорости относительного движения v тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h:

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости, он зависит от природы жидкости или газа и температуры (для газов - еще и от давления)".

Такая зависимость выглядит логично, но не все жидкости подчиняются этому закону. Для т.н. неньютоновских жидкостей вязкость (коэффициент динамической вязкости) зависит от скорости движения тела относительно жидкости, а в более сложном варианте - еще от величины и времени действия усилия сдвига на жидкость. Обычно такая жидкость состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. И это не какая-то там экзотика, неньютоновские жидкости мы постоянно наблюдаем вокруг себя.

В качестве примера можно привести смесь крахмала и воды. Смешайте 500 г кукурузного крахмала и 300 мл воды (пищевые красители - по желанию). Для такой суспензии вязкость не является чем-то постоянным. Чем больше скорость движения в ней тела, тем выше ее вязкость. Если кашицу крахмала неспешно помешивать, внешне она ведет себя как подвижная жидкость, но при попытке укорить перемешивание сопротивление движению резко возрастает: суспензия крахмала словно "густеет" - превращается в очень вязкую жидкость. Стоит уменьшить скорость перемешивания, и суспензия снова "разжижается". При ударе такая суспензия ведет себя как твердое тело, но если оставить ее в покое - растекается.

Какие можно с ней сделать опыты? Например, если месить кашицу крахмала в руках, она ведет себя как упругое твердое тело, но стоить остановиться и кашица утечет сквозь пальцы. Читал, что если заполнить такой кашицей ванну, на ней можно танцевать - пока вы будете двигаться быстро, а если замедлить движение - ноги утонут.

Еще один известный опыт - визуализация звуковых волн с помощью неньютоновской жидкости, а именно - нашей суспензии крахмала. Тут я встретил такой рецепт: "200 г крахмала на стакан холодной воды". На звуковой динамик помешают полимерную пленку (для защиты), наливают туда суспензию крахмала и включают низкочастотный звук (например, 30 Гц). В результате наблюдают "танец крахмала".

Другой пример - игрушка, т.н. "жвачка для рук", или хэндгам (от англ. handgum). Она появилась в 1943 году как незапланированный результат работ по созданию заменителя натурального каучука: вместо синтетической резины для военной промышленности (шла Вторая мировая) изобрели игрушку. Жвачка для рук похожа на пластилин. При ударе ведет себя как твердое тело. Из нее можно слепить разные фигурки. Сначала они сохраняют форму, но со временем растекаются как жидкость.

Для "классического варианта" жвачки для рук нашел такой рецепт:

65 % диметилсилоксана, 17 % кремнезема (кристаллического кварца), 9 % Thixatrol ST (производные касторового масла), 4 % полидиметилсилоксана, 1 % декаметилциклопентасилоксана, 1 % глицерина и 1 % диоксида титана.

К счастью, есть рецепты "жвачки для рук" из более доступных компонентов. В частности, в журнале уже была статья, как сделать "хэндгам" из буры и клея ПВА (поливинилацетат) [1].

Меня давно привлекают опыты с неньютоновскими жидкостями, но есть желания, а есть - возможности: данные эксперименты пришлось поставить в длинную очередь из разных интересных (и не очень) опытов. И, как это часто бывает на практике, знакомство с неньютоновскими жидкостями произошло не запланировано - безо всяких предупреждений.

Я занимался разработкой композиций моющих средств. Работа рутинная: есть три компонента - технические поверхностно-активные вещества: лауретсульфат натрия (sodium lauryl ether sulfate - SLES), кокосовый бетаин (или аналоги) и кокосовый диэтаноламид (или аналоги). Еще - дистиллированная вода и соль (хлорид натрия). Смешиваешь, растворяешь, термостатируешь и меряешь вязкость. Требуется получить моющие составы с определенной вязкостью, а заодно и построить зависимости: как вязкость смеси изменяется с концентрацией того или иного компонента. Кстати, небольшая добавка хлорида натрия сильно влияет на вязкость растворов лауретсульфата натрия - вязкость меняется на несколько порядков: сначала растет, а потом падает с увеличением концентрации соли (и вообще - электролитов). Выгодное моющее: добавил щепотку соли, и жидкое разведенное средство стало густым. Можно подумать, что в нем много ПАВ, а на самом деле - подсоленная вода с небольшой добавкой ПАВ. Не случайно SLES такой популярный среди технологов моющих средств. Но про это я расскажу как-нибудь в другой раз.

Чтобы растворить компоненты моющего, я помещал их в стакан, добавлял воды и ставил на магнитную мешалку. Когда вязкость системы была низкой или умеренной, жидкость вела себя обычно: над вращающимся якорем мешалки формировалась воронка (воздушный "смерч"). Но некоторые стаканы с высокой концентрацией моющих вели себя по-другому. Совсем по-другому. Вместо воронки над магнитной мешалкой образовывался горб жидкости. Уже тогда до меня дошло, что такие смеси (не суспензии - гомогенные растворы) вели себя как неньютоновская жидкость: возле магнитного якоря, где скорость вращения жидкости выше, ее вязкость росла, и она становилась похожа на твердое тело. А чем дальше от якоря, тем скорость была меньше и жидкость становилась "жиже" (простите за каламбур). Но и это еще не все.

Существуют разные методы измерения вязкости. Мы меряем вязкость с помощью роторного вискозиметра: в жидкость опускаются вращающийся ротор, прибор замеряет усилие сопротивления жидкости и вычисляет коэффициент вязкости. В процессе измерения можно задать разные скорости вращения ротора. Если жидкость - ньютоновская, то измеренная на разных скоростях вращения вязкость не должна отличаться (в пределах точности прибора). Обычно так и было. Но для образцов, которые давали на мешалке горб, вязкость, измеренная на разных скоростях ротора, отличалась иногда во много раз.

Вот так неожиданно я приготовил неньютоновскую жидкость.

__________________________________________________
¹ См. статью Неньютоновская жидкость (как сделать хендгам) [ссылка - ч.1], [ссылка - ч.2]