Płyny nienewtonowskie - czym się bawią nasze dzieci

Ilu z was zauważyło, że łatwiej wycisnąć ketchup z butelki gdy się nim potrząsa albo uderza, a bita śmietana jest za to bardziej wodnista w trakcie wyciskania jej z butelki? Chyba każdy zauważył, że miód zachowuje się troszkę inaczej niż nasza ulubiona woda, a ciasto, które w czasie mieszania wędrowało w górę mieszadeł (końcówek do mieszania) zepsuło krew niejednemu początkującemu cukiernikowi. Swoją drogą krew też łapie się do grupy, o której chcemy sobie poopowiadać. Mowa oczywiście o płynach nienewtonowskich.

Ciecze nienewtonowskie

Jeżeli zajrzymy na Wikipedię znajdziemy piękną definicję płynów nienewtonowskich, która mówi nam, że jako płyn nienewtonowski rozumiemy każdy płyn, którego krzywa płynięcia nie jest funkcją liniową. Co prawda krzywa płynięcia nie ma hasła na polskiej Wikipedii, ale przypis w nawiasie informuje nas, że ta krzywa to zależność naprężeń ścinających do prędkości ścinania płynu. Uff… prościej to już chyba nie można. Przyznam się, że jako student sam nie za bardzo rozumiałem definicję krzywej płynięcia i cały czas wydawało mi się to jakieś niejasne. Spróbujmy wiec zagadnienie to sobie jakoś uprościć.
Wyobraźmy sobie dwie kartki papieru (symbolizujące warstwy cieczy) przygniecione na potrzeby eksperymentu za pomocą ciężkiej książki. Pociągnijmy górną kartkę tak aby przesunęła się względem dolnej o kreśloną odległość i zmierzymy czas w jakim tego dokonaliśmy. Oczywiści siła z jaką ciągniemy górną kartkę powinna być cały czas taka sama. Teraz powtórzmy eksperyment, ale siłę z którą ciągniemy zwiększmy dwukrotnie.

Wizualizacja eksperymentu z kartkami

Jeżeli nasza ciecz jest cieczą newtonowską uzyskany w drugim przypadku czas powinien być dwukrotnie mniejszy niż pierwszy. Zachodzi więc tutaj proporcja pomiędzy siłą jaką musimy przyłożyć, żeby przesunąć między sobą te warstwy, a czasem w jakim pokonają pewną odległość. Oczywiście, żeby eksperyment w pełni się powiódł, a nasze kartki okazały się warstwami cieczy newtonowskiej to musiałby być one bardzo duże, a odległość o jaką je przesuwamy bardzo małą. Jeżeli dodamy sobie, że stosunek między siłą jaką ciągniemy, a zmierzonym czasem nosi nazwę lepkości dynamicznej to wiemy już wszystko (tak naprawdę stosunek między naprężeniami stycznymi jakie poswatają między naszymi kartkami, a zmierzonym czasem).
Było trudno, prawda? Teraz pójdzie już z górki. Płyny nienewtonowskie znajdują zastosowania głównie do zmieszania tarcia lub jako środki powierzchniowo czynne. Natomiast dodatki płynnych polimerów (tak polimery w fazie ciekłej są cieczami nienewtonowskimi) pozwoliły na zwiększenie przepływów w rurociągach naftowych. Płyny nienewtonowskie są też obiecujące jeżeli chodzi o ich wykorzystanie w szeroko pojętej medycynie (o ile rozumiem chodzi o możliwość zasymulawania krwi, czy różnego rodzajów śluzów innymi płynami nienewtonowskimi). Jednak do czego można wykorzystać te płyny tak naprawdę? Oczywiście do zabawy.
Na pewno każdy słyszał o tak zwanej ‘sprytnej plastelinie’. Istnieją różne odmian tej zabawki niektóre są cieczami magnetycznymi (ferrocieczami) reagującymi na magnesy, a inne doskonałymi przykładami cieczy nienewtonowskiej. W trakcie ugniatania zachowują się jak zwykła plastelina. Natomiast po odłożeniu do pudełka i odczekaniu kilku chwil (czasem zajmuje to ponad godzinę) rozlewają się i wyglądają jakby zostały tam nalane. Co ciekawe ciecze takie doskonale się odbijają i po uderzeniu o podłogę zachowują jak piłeczka kauczukowa (ich lepkość jest zależna od tępa w jakim przykładamy do nich silę). Ciecze nienewtonowskie mogą zwiększać swoją lepkość (do pewnego zakresu) w trakcie przykładania do nich obciążenia (nie chodzi tu już o jego wartość, ale o czas), natomiast wracają do swojej pierwotnej formy gdy w żadne sposób na nie działamy. Jeżeli wykażemy chwile cierpliwości zaobserwujemy nawet, że swoiste upłynnienie ‘sprytnej plasteliny’ zachodzi szybciej jeżeli zadziałamy na nią krótko i niewielką siłą, wciskając lekko jej powierzchnie palcem, a wolniej jeżeli pobawimy się nią chwilę wałkując, rozciągając i ugniatając (jest to obserwacja własna i dotyczy ‘sprytnej plasteliny’, którą posiadam).
Co jeżeli nie chcemy inwestować od paru do kilkudziesięciu złotych w zabawkę? Zostaje nam przygotowanie swojej własnej ‘nie tak sprytnej plasteliny’ z mąki ziemniaczanej i wody. Roztwór taki, o odpowiednich proporcjach (według Wydziału Fizyki UW najlepsze to 100g mąki do 70g wody) zachowuje się zupełnie jak ‘sprytna plastelina’. Jeżeli zaczniemy go ugniatać i naciskać będzie twardnieć i stawiać opór. Da ulepić się w kulkę czy inny kształ. Nie polecam jednak testowanić jej podobieństwa do piłeczki kauczukowej. Roztwór ziemniaczanki rozpływa się bowiem jak woda, jeżeli przez chwile nie przykładamy do niego żadnej siły.
Oczywiście po drugiej stronie stoją ciecze, których lepkość maleje w trakcie przykładania do nich obciążenia, takie jak ketchup. Jednak jaką zabawę można mieć z cieczy, która w trakcie zabawy staje się jedynie bardziej płynna (a może wodnista)?

Efekt Weisenberga - ciecz wspina sie na obracający pręt
[zdjęcie z: Mak, J. (2009). Hydrodynamic Stability of Newtonian and Non-Newtonian Fluids (Doctoral dissertation, PhD thesis, University of Durham)]

No i na koniec efekt o nad wyraz pożytecznym zastosowaniu. Któż z nas nie nabierał kiedyś miodu przy pomocy nabieraka do miodu (najczęściej drewniany o baryłkowatym kształcie). Jeżeli będziemy obracali nabierak odpowiednio szybko miód zacznie wspinać się po nim, co pozwoli nam nabrać go jeszcze więcej (mniam!). Z doświadczenia wiem, że stanowi to również doskonały konkurs i powód do rywalizacji między rodzeństwem. Takie wspinanie się płynu po obracającym pręcie nosi nazwę efektu Weissenberga i jest charakterystyczne dla szeregu cieczy nienewtonowskich jak np. płynne szkło czy smoła.
Życzę wiele zabawy z szamponem, ketchupem, miodem, ciastem, pastą do zębów, farbami i innymi płynami nienewtonowskimi w poszukiwaniu ich niecodziennych właściwości. Polecam również dwa filmiki na Youtubie (linki poniżej), które w każdym obudzą dziecko.

Bibliografia i przydatne linki:

1.Idealny przepis na płyn nienewtonowski z mąki kukurydzianej i odpowiedź na to czemu zachowuje się on tak a nie inaczej - https://www.fuw.edu.pl/~mklis/publications/piknik2009/Poster_krochmal.pdf

2.Troszche więcej o mące kukurydzianej - https://weirdscience.eu/P%C5%82yn%20nienewtonowski.html

3. Moim zdaniem najciekawszy i najzabawniejszy projekt dotyczący tematu, basen wypełniony ieczą masą ziemnaczaną - https://www.youtube.com/watch?v=RIUEZ3AhrVE

4. Mączny potwór na głośniku - https://www.youtube.com/watch?v=Zsn2w3FF1Rw

5. Mak, J. (2009). Hydrodynamic Stability of Newtonian and Non-Newtonian Fluids (Doctoral dissertation, PhD thesis, University of Durham).

6. Mekheimer, K. S. (2008). The influence of heat transfer and magnetic field on peristaltic transport of a Newtonian fluid in a vertical annulus: application of an endoscope. Physics letters A, 372(10), 1657-1665.

7. Mahomed, F. M., Hayat, T., Momoniat, E., & Asghar, S. (2007). Gliding motion of bacterium in a non-Newtonian slime. Nonlinear Analysis: Real World Applications, 8(3), 853-864.

8. Hoyot, J.W. (1999). Some applications of non-newtonian fluid flow. Rheology Series, 8, 797-826.