Ученые объяснили странное поведение неньютоновских жидкостей

Ученым из Университета в Чикаго удалось впервые создать правдоподобную модель, описывающую природу так называемых неньютоновских жидкостей, сильно отличающихся по своему поведению при внешних воздействиях от обычных жидкостей.

Зыбучий песок, также как и разные виды так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойствами, характерными как для твердых объектов, так и для обыкновенных жидкостей. Неньютоновские жидкости состоят из мелких частиц, распределенных в жидкости, причем внешне могут напоминать твердые субстанции или гель. В Английском языке, впрочем, такие жидкости принято обозначать как "fluids”, тогда как обыкновенные жидкие вещества названы привычным словом "liquids”.

Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет. Ранее такое его поведение объясняли наличием герметизирующей стенки, не дающей жидкости растекаться, или эффектом увеличения частиц под давлением. Однако, последние экспериментальные исследования, похоже, опровергают эти предположения, и, возможно, приведут к появлению новых объяснений свойств неньютоновских жидкостей.

Примечание.  Обычная ньютоновская жидкая субстанция (названная в честь Исаака Ньютона) всегда проявляет свойства жидкости, какие бы внешние силы к ней не прикладывали. Вода является типичным примером: она не уплотняется и не становится более вязкой, а если погрузить в нее палку, на противоположной поверхности не образуется дыра. Неньютоновские жидкости ведут себя совершенно по-другому, а их реакция зависит от характера внешнего воздействия. Их вязкость – снижение текучести – может резко меняться в разных условиях, к тому же, имеет значение и тип взвеси, в чем мог убедиться каждый, кто пробовал приготовить пудинг с нуля.

Скотт Вайтукайтис (Scott R. Waitukaitis) и Генрих Йегер (Heinrich M. Jaeger) из Университета в Чикаго создали из воды и кукурузной муки субстанцию, подобную зыбучему песку, назвав ее «ооблек» ("oobleck”). В ходе экспериментов они ударяли по образцам субстанции алюминиевым стрежнем и измеряли положение, скорость и ускорение стрежня при его взаимодействии с «ооблеком». На основании измерений было установлено, что затвердевание субстанции происходит от внутреннего сжатия и давления, распространяющегося по «ооблеку» от точки удара. Используя в своем исследовании огромное количество субстанции (25 литров), ученые показали, что необычные эффекты, проявляющиеся себя в неньютоновских жидкостях, не зависят от размера контейнера, а следовательно, и само наличие удерживающих стен не является важным фактором.

При помощи рентгеновской съемки, исследователи зарегистрировали образование твердых цилиндрических образований под местами ударов. Тщательно проанализировав эти данные, авторы предложили простую модель, описывающую столкновения, которая оказалась очень схожа с моделями, рассматривающими падение объектов в обычные жидкости, но в то же время демонстрирует совершенно другие объекты.

Для проведения эксперимента ученые устанавливали алюминиевый стержень на специальные направляющие рельсы, чтобы быть уверенными в его движении строго вдоль одной оси. В некоторых случаях они либо роняли стержень (что можно назвать свободным падением), либо использовали начальное ускорение для увеличения скорости стержня, на котором был закреплен акселерометр. Весь процесс записывался на видео камерой, предназначающейся для высокоскоростной съемки, что позволяло исследователям точно измерять положение в любой момент времени, скорость и ускорение.

Частицы кукурузной муки в «ооблеке» имеют неправильную форму и варьируются в размере от 5 до 20 микрон, что типично для зыбучего песка или других неньютоновских жидкостей. Кроме того, суспензия содержала особые, хорошо различимые на рентгеновских снимках микрогранулы, благодаря присутствию которых и отслеживались все перемещения групп частиц субстанции. Авторы поместили сенсор, определяющий силу удара, прямо под стержнем на дне контейнера, чтобы выяснить, как ударная волна распространяется внутри взвеси. Также они использовали лазер для изучения изменений формы поверхности при ударе.

 

На снимке видна реакция смеси на удар, показывающая "твердотельную" припроду неньютоновской жидкости

 

Чтобы измерить влияние размера контейнера на поведение субстанции, исследователи проводили эксперименты в контейнерах глубиной от 8.5 до 20.5 сантиметров. Однако, было установлено, что стержень всегда быстро замедлял свое движение в определенный момент после соударения со взвесью вне зависимости от глубины.

Рентгеновская съемка также показала, что частицы взвеси, находившиеся непосредственно под местом удара, не перемещались заметно в стороны от столкновения. Наоборот, они формировали нечто, похожее на цилиндр, действующий как второй стержень внутри суспензии. Это образование было окружено конусообразной областью, в которой взвесь продвигалась вверх и в стороны в ответ на удар, слегка приподнимая поверхность вокруг места столкновения. А по прошествии некоторого времени цилиндр «таял», возвращая субстанцию в ее первоначальное квази-жидкое состояние.

Изучив полученные данные, исследователи создали модель суспензии, учитывающую размеры твердого цилиндрического образования и конусообразной области вокруг него. Выявленные сходства с моделями поведения стандартных жидкостей и перемещения масс вещества внутри них указывают на гибридную природу суспензий. Это также противоречит обычному подходу к физике неньютоновских жидкостей, согласно которому важную роль играют стены контейнера, а частицы, вместо того чтобы сформировать цилиндрический объект, должны просто «разбегаться» в стороны.

Общая картина процесса теперь становится понятнее: энергия удара, перемещаясь по прямой вниз и сталкиваясь с дном, возвращается вверх и образует второй «стержень». А что касается размеров и формы частиц взвеси, авторы исследования заявляют, что их модель применима к другим суспензиям и в тех случаях, если параметры гранул в субстанции будут совпадать.

Источник: infuture.ru