Ньютоновская жидкость: свойства, применение и интересные факты

Ньютоновские и неньютоновские жидкости - загадочные явления окружающего нас мира. Давайте разберемся в их свойствах, узнаем, как своими руками создать такие необыкновенные субстанции, попробуем применить их на практике в научных опытах, косметологии и кулинарии. Впереди много интересных фактов и открытий!

Ньютоновская жидкость: определение и основные свойства

Ньютоновская жидкость получила свое название в честь великого ученого Исаака Ньютона. Он первым обратил внимание, что сопротивление жидкости при движении некоторых объектов в ней, например при гребле веслами, зависит от скорости этого движения. Чем быстрее гребешь - тем труднее это делать.

Ньютоновская жидкость - это вязкая жидкость, которая строго подчиняется закону внутреннего трения Ньютона. В ней касательное напряжение прямо пропорционально градиенту скорости. Иными словами, чем быстрее течет ньютоновская жидкость, тем большее сопротивление она оказывает.

Коэффициентом пропорциональности между скоростью течения и возникающим при этом трением является величина, называемая вязкость. Она характеризует, насколько "жидкой" или "густой" является данная субстанция. У ньютоновских жидкостей вязкость зависит только от давления, температуры и химического состава.

Это уравнение обычно используют при течении жидкости в одном направлении, когда вектор скорости течения можно считать сонаправленным (параллельным) во всех точках рассматриваемого объема жидкости.

Типичным представителем ньютоновских жидкостей является вода. Она строго подчиняется закону вязкого трения Ньютона. Если воду течь медленно - сопротивление будет небольшим, а если течь быстрее - возрастет и трение о стенки трубы.

Неньютоновские жидкости: определение и классификация

В отличие от ньютоновских, неньютоновские жидкости ведут себя более хаотично. Их вязкость может сильно меняться в зависимости от внешних условий и скорости течения:

• Псевдопластичные жидкости становятся менее вязкими при увеличении скорости течения
• Дилатантные жидкости, напротив, с увеличением скорости движения жидкости увеличивают свою вязкость

Ярким примером дилатантной неньютоновской жидкости является взвесь крахмала в воде. Если ее быстро перемешивать - возникает ощутимое сопротивление, как будто жидкость превратилась в твердое тело. Но стоит перемешивание прекратить - и она снова становится текучей, как и положено обычной жидкости.

Такое поведение связано с большим размером молекул крахмала по сравнению с молекулами воды. При медленном течении они легко обтекать друг друга, а вот при резком - буквально "цепляются" друг за друга, мешая свободному течению.

Домашний эксперимент по созданию неньютоновской жидкости

Как сделать ньютоновскую жидкость в домашних условиях? Оказывается, это совсем не сложно! Для начала возьмите:

• 1 стакан кукурузного крахмала
• 1 стакан воды комнатной температуры
• Миску для смешивания ингредиентов
• Ложку или лопатку для перемешивания

Аккуратно всыпьте крахмал в миску и тонкой струйкой начинайте добавлять воду, непрерывно помешивая лопаткой. Как только консистенция начнет напоминать жидкое тесто - ваша смесь готова!

Теперь можно приступать к веселым опытам. Например, быстрым движением руки скатайте из полученной массы шарик. Он будет держать форму, пока вы сжимаете его в кулаке. Но стоит разжать ладонь - и шарик моментально превратится обратно в жидкость!

А если положить такой шарик в тарелку и надавить на него ложкой? При быстром надавливании ложка будет отскакивать, как от твердого предмета! В то время как медленное погружение не встретит никакого сопротивления.

Эксперименты с неньютоновской жидкостью

Давайте проведем еще несколько интересных опытов с неньютоновской жидкостью, которую мы только что приготовили в домашних условиях. Возьмите два одинаковых стакана и налейте туда одинаковое количество смеси крахмала с водой.

1. В первый стакан медленно опустите ложку и оставьте ее там на некоторое время. Ложка будет плавно погружаться, не встречая сопротивления.
2. Во второй стакан опустите ложку резким движением. Она как бы "отскочит" от поверхности жидкости, которая на короткое время затвердеет.

Этот эффект объясняется уникальными свойствами неньютоновских жидкостей - их вязкость и текучесть сильно зависят от скорости внешнего воздействия.

Применение неньютоновских жидкостей

Где еще можно встретить или использовать ньютоновскую жидкость и подобные ей вещества?

• В автомобильных маслах нового поколения для уменьшения трения в двигателе
• Для создания оригинальных декоративных элементов и игрушек
• В производстве косметики и лекарств для регулировки вязкости
• Для наглядных опытов и научных шоу, демонстрирующих удивительные свойства жидкостей

Давайте сделать ньютоновскую жидкость прямо сейчас и поэкспериментировать дальше!

Другие рецепты неньютоновской жидкости

Помимо крахмала с водой, сделать неньютоновскую жидкость дома можно и другими способами. Например, используя:

• Смесь клея ПВА с тетраборатом натрия
• Раствор кукурузного сиропа и борной кислоты
• Взвесь муки и крахмала в масле

Подберите ингредиенты по вкусу и проведите сравнительные испытания полученных жидкостей! Какая из них окажется наиболее "неньютоновской"?

Влияние температуры

Любопытный факт: вязкость неньютоновских жидкостей может меняться не только от скорости течения, но и от температуры. Например, горячая каша ведет себя совсем не так, как холодная.

Попробуйте разогреть часть вашей смеси крахмала с водой. Сравните ее поведение с комнатной температурой. И не забудьте о правилах безопасности при работе с нагретыми жидкостями!

Неньютоновские жидкости в кулинарии

Оказывается, неньютоновские жидкости часто встречаются на нашем столе! К ним относятся:

• Кисели и желе - при быстром взбалтывании они временно затвердевают
• Майонез и соусы - могут выдерживать различные декоративные элементы благодаря высокой вязкости
• Тесто - липкое и вязкое в покое, но может легко растекаться при механическом воздействии

Такие особенности неньютоновских жидкостей позволяют использовать их в кулинарии для:

1. Создания оригинальных текстур и консистенций
2. Удержания формы блюд и декоративных элементов
3. Регулировки вязкости и "густоты" различных соусов

Опасности неньютоновских жидкостей

Несмотря на кажущуюся безобидность, некоторые неньютоновские жидкости могут представлять опасность. К примеру, зыбучие пески или трясины демонстрируют похожее поведение:

• При медленном погружении они ведут себя как жидкости, позволяя погрузиться глубоко в толщу
• Но при резком движении мгновенно затвердевают, не давая выбраться обратно

Поэтому будьте осторожны при работе с неизвестными неньютоновскими субстанциями в природных условиях!

Неньютоновские жидкости в промышленности

Благодаря уникальным реологическим свойствам, неньютоновские жидкости нашли применение в промышленности. Их используют:

• В строительстве - как компонент сверхпрочных бетонов
• В нефтедобыче - для регулировки вязкости буровых растворов
• В косметологии - в составе кремов и лосьонов

Также ведутся работы по созданию новых "умных" материалов на основе неньютоновских жидкостей - способных менять свои свойства по заданной программе.