Неньютоновская жидкость: крахмальный монстр

Вопрос

Возьми кукурузный крахмал. Смешай с водой в пропорции 2:1 по весу. Убери руку из миски — смесь медленно вытекает как жидкость. Теперь резко ударь кулаком по поверхности.

Кулак не провалится.

Ты ударил по жидкости — а получил сопротивление камня. Медленно опусти ладонь — и она уйдёт под поверхность без усилий.

Что это такое?

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Исаак Ньютон описал «нормальное» поведение жидкости:

$\tau = \eta \cdot \dot\gamma$

где $\tau$ — напряжение сдвига, $\dot\gamma$ — скорость сдвига, $\eta$ — вязкость (постоянная).

Вода, масло, воздух — ньютоновские жидкости: насколько сильно мешаешь, такое и сопротивление. Вязкость не зависит от того, как быстро ты это делаешь.

Но существуют жидкости, у которых $\eta$ зависит от $\dot\gamma$. Это неньютоновские жидкости:

Опыты

1. Обблек — базовый

Состав: кукурузный крахмал (100–200 г) + вода (~50% по весу). Начни с меньшего количества воды и добавляй по чайной ложке: нужная консистенция — когда смесь «течёт» при наклоне миски, но твердеет при резком нажатии.

Опыты:

1. Ладонь медленно — рука медленно уходит в глубину, жидкость расступается.
2. Удар кулаком — твёрдое! Не проваливается.
3. Перекатить шар — скатай обблек в шар в руках (быстро). Остановись — шар «потечёт» обратно в жидкость.
4. Завязать в пакет — на резкий удар пакет не рвётся. Медленное давление — продавливается.

2. Кетчуп — псевдопластик

Попробуй достать кетчуп из горлышка бутылки, не встряхивая. Почти не течёт. Ударь по дну бутылки или встряхни — потечёт легко.

Под действием сдвига молекулы кетчупа выстраиваются вдоль потока → вязкость падает. В покое цепи спутываются → кетчуп «застывает».

То же самое: зубная паста, майонез, краска для стен, шоколадный ганаш.

3. Обблек на динамике ★ (усложнённый)

Вылей обблек в поддон, поставь под него динамик. Подключи к телефону через усилитель. При частотах 30–80 Гц обблек начнёт образовывать «пальцы» и стоячие волны — он переходит между жидким и твёрдым состоянием быстрее, чем волна успевает разойтись.

Это эффект Рэлея — Тейлора: нестабильность на границе двух сред разной плотности усиливается вибрацией.

Физика: почему крахмал так себя ведёт

Обблек — коллоидная суспензия: частицы крахмала размером 5–20 мкм плавают в воде.

При малых скоростях сдвига: Частицы успевают «расступиться» и пропустить деформацию. Жидкость ведёт себя нормально.

При больших скоростях сдвига: Частицы не успевают перестроиться. Они заклиниваются (jamming): каждая упирается в соседей. Система ведёт себя как твёрдое тело.

Переход «жидкость → твёрдое» происходит при объёмной доле частиц ~50–60%. Именно это соотношение вы готовите, смешивая крахмал 2:1 с водой.

Аналог: попробуйте быстро идти по влажному песку у кромки моря — он твердеет под ногами. Медленно нажмите — нога уходит вглубь.

Применения

Бронежилеты D3O

Компания D3O создала материал на основе неньютоновского полимера. В покое — мягкий, гибкий. При ударе — мгновенно затвердевает, поглощает энергию. Используется в военных шлемах, защите мотоциклистов, спортивном снаряжении, чехлах для телефонов.

Кровь в сосудах

Кровь — псевдопластичная жидкость.

• В крупных артериях (высокое напряжение сдвига) → вязкость низкая, кровь течёт легко.
• В капиллярах (малый сдвиг) → вязкость резко растёт.

Это критически важно: если бы кровь была ньютоновской, сердцу потребовалась бы в разы большая мощность для прокачки через капилляры.

Зыбучий песок

Зыбучий песок — дилатантная смесь: мелкий песок + вода + глина при определённых условиях. При медленном давлении частицы могут «залипнуть» → нога застревает. Вырывание ноги резким рывком временно уплотняет смесь → ещё хуже. Правильно: медленные аккуратные движения, дать воде «перераспределиться».

Вопросы для обсуждения

1. Почему в формуле Ньютона $\tau = \eta \dot\gamma$ вязкость $\eta$ — константа? Что физически происходит в молекулярном уровне, когда это допущение нарушается?
2. Кровь — псевдопластичная жидкость. Как это влияет на работу сердца? Что было бы, если бы кровь была ньютоновской с вязкостью, равной средней вязкости крови в крупных сосудах?
3. Можно ли «бежать по воде», если достаточно быстро перебирать ногами? При какой площади подошвы и скорости это теоретически возможно? (Подсказка: некоторые ящерицы так и делают — но по другому механизму.)
4. Почему обблек «твердеет» при ударе, но не сохраняет форму твёрдого тела после него? Что происходит сразу после того, как сдвиговая нагрузка исчезает?