2.58. Странные вязкие жидкости

Почему кетчуп легче вытекает из бутылки, если ее сначала потрясти? Этот эффект можно наблюдать, когда, пытаясь полить гамбургер, вы вдруг обнаруживаете, что кто-то за вашим столом незадолго до этого встряхнул бутылочку с кетчупом. В результате кетчупа на вашей тарелке оказывается больше, чем гамбургера. Почему чернила легко вытекают из шариковой ручки, когда ею пишут, но не когда она лежит в кармане или в сумке? Почему однослойная краска легко ложится на стену, но не стекает со стены на пол? Почему при комнатной температуре масло можно размазать по хлебу ножом, а само оно не растекается? Почему крахмал, в который добавили немного воды, трудно размешать, если вы стараетесь делать это быстро, но дело пойдет лучше, если размешивать его медленно?

Почему жвачка для рук из кремнийорганического полимера (силикона) или игрушка лизун (слайм) из желеобразного материала на основе поливинилового спирта ведут себя как твердые тела, если по ним ударить; достаточно упруги, когда их бросают на пол; и стекают по вертикальной поверхности, как жидкость?

ОТВЕТ • Необычные свойства этих разных жидкостей связаны с их вязкостью, мерой текучести жидкости, показывающей, насколько легко преодолевается сопротивление перемещению одних слоев жидкости относительно других. Например, вязкость холодной патоки очень высока и течет она медленно, тогда как у воды вязкость небольшая и течет она быстро. Вязкость большинства жидкостей зависит от температуры, но при заданной температуре их вязкость постоянна. Говорят, что это ньютоновские жидкости.

К другому классу относятся неньютоновские жидкости. Название указывает на то, что их вязкость определяется не только температурой, но также зависит от того, что привело к течению. Кетчуп — пример такой жидкости. Если какое-то время он стоит спокойно, вязкость его высока, и поэтому вылить кетчуп через небольшое отверстие сложно. Однако если несколько секунд размешивать или трясти кетчуп, его вязкость заметно падает. И поэтому, чтобы кетчуп лился из бутылки, ее надо несколько раз встряхнуть. При встряхивании одни слои жидкости скользят относительно других, и такое относительное движение (так называемый сдвиг), вероятно, приводит к распутыванию входящих в состав кетчупа молекул в виде длинных цепочек, до того спутанных в клубок. После этого кетчуп течет легко. Если сдвиг способствует уменьшению вязкости жидкости, говорят, что это псевдопластичная жидкость.

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.