Είναι πραγματικά δυνατό να τρέξει σε μια πισίνα υγρών;

Οι παραδοσιακοί κανόνες του ιξώδους, γνωστοί ως νόμος του ιξώδους του Νεύτωνα, δεν ακολουθούνται από ένα Μη Νευτώνειο Ρευστό. Επομένως, δείχνει κάποια ασυνήθιστη συμπεριφορά, που σημαίνει ότι μπορείτε πραγματικά να τρέξετε σε μια δεξαμενή μη-νευτώνειου υγρού.

Κατά την περιήγησή μου στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης, είδα βίντεο με ανθρώπους να περπατούν και να τρέχουν πάνω από ένα υγρό μεταμφιεσμένο ως κάτι το πολύ φυσιολογικό. Αυτά τα βίντεο τράβηξαν αμέσως την προσοχή μου και με κίνησαν την περιέργεια.

Μετά από λίγο ψάξιμο στο διαδίκτυο, βρήκα μια απάντηση στην ερώτησή μου. Το μυστικό αυτού του ιογενούς κόλπου είναι γνωστό ως Μη Νευτώνειο Ρευστό. Ας εμβαθύνουμε στην επιστήμη πίσω από αυτό!

Μερικοί χρήσιμοι όροι που σχετίζονται με το Fluid Dynamics

Πρέπει πρώτα να ανανεωθούμε με τρεις όρους για να καταλάβουμε τη σημασία των Μη Νευτώνειων Ρευστών.

Ιξώδες: Γνωρίζουμε ότι το νερό ρέει πιο γρήγορα από το μέλι, γιατί το ιξώδες του νερού είναι μικρότερο από αυτό του μελιού. Το ιξώδες ενός ρευστού είναι το μέτρο της ποσότητας αντίστασης που παρέχει στη δική του ροή. Προκύπτει λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων του ρευστού. Αυτό καθορίζει πόσο παχύ είναι το υγρό και πόσο γρήγορα μπορεί να ρέει.

Άγχος: Η τάση ορίζεται ως η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που εφαρμόζεται σε ένα υλικό. Είναι χρήσιμο για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς του υγρού.

Στρέλεχος: Η καταπόνηση είναι αποτέλεσμα ασκούμενης πίεσης. Είναι το μέτρο της ποσότητας της παραμόρφωσης στο σώμα, προς την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης, διαιρούμενο με τις αρχικές του διαστάσεις.

Η καμπύλη Stress VS Strain δείχνει τη σχέση μεταξύ των δύο. Αρχικά, ακολουθούν μια γραμμική σχέση, αλλά στη συνέχεια γίνεται μη γραμμική, υπονοώντας ότι στην αρχή η πίεση και η καταπόνηση αυξάνονται αναλογικά, αλλά μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, δεν είναι πλέον ανάλογες μεταξύ τους.) (Photo Credit :Nicoguaro/Creative commons )

Το ιξώδες και η ανώμαλη συμπεριφορά της τάσης και της καταπόνησης μέσα σε ένα Μη Νευτώνειο Ρευστό είναι αυτά που τα ξεχωρίζουν από άλλα ρευστά.

Νόμος του ιξώδους του Νεύτωνα

Ο νόμος του ιξώδους του Νεύτωνα είναι ο καθοριστικός παράγοντας για τη χαρακτηριστική συμπεριφορά των ρευστών. Δηλώνει ότι η διατμητική τάση είναι ευθέως ανάλογη με την κλίση της ταχύτητας μεταξύ των δύο γειτονικών στρωμάτων του ρευστού.

Επομένως, τα ρευστά που ακολουθούν το νόμο του ιξώδους του Νεύτωνα είναι γνωστά ως Νευτώνεια ρευστά. Το ιξώδες αυτών των ρευστών παραμένει σταθερό, ακόμη και υπό την εφαρμογή τάσεων. Τα κοινά υγρά όπως το νερό, το αλκοόλ και το ορυκτέλαιο εμπίπτουν σε αυτήν την κατηγορία.

Από την άλλη πλευρά, τα μη νευτώνεια ρευστά πήραν το όνομά τους από το γεγονός ότι δεν ακολουθούν τον νόμο του ιξώδους του Νεύτωνα. Το ιξώδες αυτών των ρευστών αλλάζει υπό την εφαρμογή τάσεων και παρουσιάζει ανωμαλίες στην κατάσταση της ύλης τους. Η γρήγορη άμμος, το κέτσαπ και το χρώμα εμπίπτουν σε αυτήν την κατηγορία.

Το γράφημα δείχνει τη συμπεριφορά των διαφόρων τύπων ρευστών, σε σχέση με τον Νόμο του Ιξώδους του Νεύτωνα. (Φωτογραφία :zizou7/Shutterstock)

Είναι δυνατόν να τρέξει σε μη νευτώνειο ρευστό;

Έχοντας ορίσει το Μη Νευτώνειο ρευστό, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς ακριβώς συμπεριφέρεται και γιατί.

Δεδομένου ότι το ιξώδες δεν είναι σταθερό για τα μη νευτώνεια ρευστά, όταν ασκείται τάση (δύναμη) σε αυτά, η κατάσταση της ύλης αλλάζει προς μια προσωρινή στερεή ή υγρή μορφή. Μόλις αφαιρεθεί το στρες, η αρχική κατάσταση της ύλης αποκαθίσταται.

Φανταστείτε ότι έχετε ένα δοχείο γεμάτο με ένα μη νευτώνειο υγρό που μοιάζει με υγρό. Μόλις τρυπήσετε το υγρό και το χέρι σας αγγίξει την επιφάνειά του, η περιοχή του υγρού κάτω από τη γροθιά σας μετατρέπεται σε ημι-στερεό. Επιστρέφει στην αρχική του μορφή μόλις απελευθερωθεί η δύναμη. Ενδιαφέρον, σωστά!?

Όταν η δύναμη από τη σφαίρα που ρίχνει εφαρμόζεται στην επιφάνεια του μη-νευτώνειου υγρού, η επιφάνεια του υγρού μετατρέπεται σε στερεό και η μπάλα αναπηδά από αυτό. Αυτή είναι η ιδιόμορφη συμπεριφορά του Μη Νευτώνειου ρευστού. (Φωτογραφία :zizou7/Shutterstock)

Για παράδειγμα, όταν το μπουκάλι κέτσαπ σας είναι σχεδόν άδειο, πρέπει να χτυπήσετε το κάτω μέρος του μπουκαλιού για να ρίξετε το υπόλοιπο, αλλά γιατί; Επειδή το κέτσαπ είναι ένα είδος μη Νευτώνειου υγρού. όταν ασκείται δύναμη σε αυτό με τη μορφή βρύσης στο κάτω μέρος του μπουκαλιού του, μετατρέπεται σε πιο υγρή σύσταση και στη συνέχεια μπορεί να ρέει έξω από το μπουκάλι πιο εύκολα.

Ομοίως, όταν ασκείτε πίεση σε ένα μη νευτώνειο υγρό ενώ τρέχετε πάνω του, το υγρό ακριβώς κάτω από το πόδι σας μετατρέπεται σε στερεό, επιτρέποντάς σας να κρατάτε και να κινείστε προς τα εμπρός. Έτσι, ΝΑΙ, μπορείτε να τρέξετε πάνω από ένα μη νευτώνειο υγρό, αλλά πρέπει να είστε αρκετά γρήγορος δρομέας και να κρατάτε τα βήματά σας ελαφριά!

Μην είστε ένας μη νευτώνειος ρευστός σε μια σχέση, διαφορετικά θα γίνει πιο δύσκολο.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ακριβής μοριακή συμπεριφορά αυτών των ρευστών δεν έχει βρει ακόμη σωστό επιστημονικό ορισμό ή θεωρία. Η έρευνα έχει ξεκινήσει για να αποκαλυφθεί αυτό το μυστήριο εδώ και χρόνια. Αυτό που γνωρίζουμε είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου.

Τύποι μη νευτώνειων ρευστών

Σύμφωνα με την τρέχουσα κατανόηση αυτών των ρευστών, τα μη νευτώνεια ρευστά έχουν χωριστεί σε τέσσερις κατηγορίες, ως εξής:

1) Διασταλτικό

Σε αυτόν τον τύπο, το ιξώδες του ρευστού αυξάνεται όταν εφαρμόζεται τάση, αλλά είναι ανεξάρτητο από το χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι το ιξώδες θα αυξηθεί ανάλογα με την πίεση που εφαρμόζεται, όχι για πόσο χρονικό διάστημα.

Ένα παράδειγμα Dilatant είναι το Oobleck - ένα μείγμα νερού και αμύλου καλαμποκιού. Μπορεί να έχετε δει ανθρώπους να περπατούν πάνω από το Oobleck σε βίντεο, όπου στην αρχή φαίνεται σαν υγρό, αλλά μόλις βάλετε τα πόδια σας πάνω του, μετατρέπεται σε στερεό.

2) Ψευδοπλαστικό

Αυτό είναι το αντίθετο του Dilatant. Όταν εφαρμόζεται πίεση, γίνεται λιγότερο παχύρρευστο, ανεξάρτητα από το χρόνο. Ένα παράδειγμα Ψευδοπλαστικού είναι το κέτσαπ.

Το γράφημα δείχνει τη συμπεριφορά του Dilatant και του Ψευδοπλαστικού και τη σύγκρισή τους με Νευτώνεια υγρά. (Φωτογραφία :DirectEON /Creative commons)

3) Ρεοπεκτικό

Αυτό είναι παρόμοιο με το Dilatant, εκτός από το γεγονός ότι η αύξηση του ιξώδους εξαρτάται από το χρόνο.

Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι η κρέμα. Όταν ανακατεύετε για πρώτη φορά την κρέμα, δεν συμβαίνει τίποτα πολύ, αλλά αν συνεχίσετε να ανακατεύετε, η κρέμα σταδιακά πήζει.

4) Θιξοτροπικό

Αυτό είναι το αντίθετο του Rheopectic. Όταν εφαρμόζεται τάση, το ιξώδες του μειώνεται και εξαρτάται από το χρόνο.

Το μέλι είναι ένα παράδειγμα θιξοτροπικού υγρού. Αν ανακατεύετε το μέλι για πολλή ώρα, σταδιακά μετατρέπεται σε πιο υγρή μορφή.

Το γράφημα δείχνει τη συμπεριφορά των Ρεοπεκτικών και Θιξοτροπικών υγρών και τη σύγκριση τους με τα Νευτώνεια υγρά. (Φωτογραφία :DirectEON /Creative commons)

Μια συνταγή για μη νευτώνειο υγρό

Είναι πάντα ωραίο να αποκτάς γνώσεις για κάτι ενδιαφέρον, αλλά ακόμα πιο ωραίο να χρησιμοποιείς αυτή τη γνώση σε πρακτική χρήση. Ας προχωρήσουμε λοιπόν και ας δοκιμάσουμε μια συνταγή για μη νευτώνεια υγρά που μπορούμε να φτιάξουμε εύκολα στο σπίτι. Φορέστε τα γάντια και το εργαστηριακό σας παλτό!

ΠΡΟΣΟΧΗ:Δεν απαιτείται επίβλεψη ειδικού!

Πράγματα που θα χρειαστείτε:
1. Άμυλο καλαμποκιού (περίπου 1/4 φλιτζάνι)
2. Νερό (όσο απαιτείται)
3. Ένα μπολ για το ανακάτεμα

Με ένα ελαφρύ χτύπημα, το υγρό μίγμα OObleck-αραβοσίτου και νερού μετατρέπεται σε στερεό. (Φωτογραφία:Wang Sing/Shutterstock)

Τοποθετήστε ένα καθαρό μπολ σε ένα τραπέζι στην αυλή σας. Προσθέστε 1/4 φλιτζάνι άμυλο καλαμποκιού στο μπολ και μια μικρή ποσότητα νερού για να γίνει υγρό. Ανακατεύουμε σιγά σιγά το μείγμα. Συνεχίστε να προσθέτετε περισσότερο νερό μέχρι να γίνει η σύσταση του μείγματος σε υγρή με αργή ανάδευση.

Τώρα, για να ελέγξετε αν η συνταγή είναι έτοιμη, πατήστε πάνω στο μείγμα. Θα πρέπει να αισθάνεται σαν ένα στερεό! Εάν είναι πολύ ρευστό, προσθέστε περισσότερο άμυλο καλαμποκιού. Μόλις το μείγμα φτάσει στην επιθυμητή συνοχή, ήρθε η ώρα να το δείξετε στην οικογένεια και τους φίλους σας. Κάντε ένα μαγικό σόου όπου μετατρέπετε ένα υγρό σε στερεό με ένα μόνο άγγιγμα!

Το μέλλον περιμένει

Οι μοναδικές ιδιότητες των μη νευτώνειων ρευστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες χρήσεις. Έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως προωθητικά αεροδιαστημικής λόγω βελτιωμένου ελέγχου και ασφάλειας. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή θωρακισμένων στολών και διαστημικών στολών που μπορούν να αντισταθούν σε τρύπημα ή κρούση.

Ο βιομηχανικός τομέας βρίσκεται επίσης σε καλό δρόμο για να εκμεταλλευτεί τα οφέλη των μη νευτώνειων ρευστών.

Σαφώς, τα μη νευτώνεια ρευστά δεν είναι απλώς μια δροσερή ιδέα ή ένα πείραμα επιστημονικής τάξης. πιθανότατα θα παίξουν σημαντικό ρόλο στο μέλλον της ανθρωπότητας!

Αυτή είναι μια ερώτηση για να σκεφτείτε!