Жидкое или твёрдое?
Как приготовить неньютоновские жидкости, не подчиняющиеся законам физики
Быстренько мнёшь, толкаешь, стучишь, кидаешь… – твёрдое тело. Остановился буквально на секундочку – тут же растечётся в руках в лужицу. Разве такое может быть? Ещё как, если вам повстречалась неньютоновская жидкость. Совсем не хочет она поддаваться законам физики. В чём вы и сами сейчас убедитесь вместе с учеником школы № 6 г. Старый Оскол Максимом Астаховым – знатоком этого необычного вещества.
Что интересно – стал он им совершенно случайно. Просто однажды, собираясь в школу, Максим чистил зубы. Выдавив зубную пасту на щетку, заметил, что она не стекает с неё. В поисках ответа на свой вопрос «Почему эта она не течёт?» он и познакомился с неньютоновскими жидкостями (и даже приготовил их сам дома!) и написал исследовательскую работу «Удивительные свойства неньютоновской жидкости». Занял с ней первое место на районном этапе Всероссийского детского конкурса научно-исследовательских и творческих работ «Первые шаги в науке». Ребята, вы легко можете повторить все-все-все Максимкины эксперименты и опыты. И да! Для них совсем не нужна настоящая лаборатория со специальным оборудованием. Для приготовления самой простой неньютоновской жидкости достаточно лишь парочки обычных ингредиентов, что легко найдутся на вашей кухне!
Максим Астахов / Фото: из личного архива семьи Астаховых
А что это такое?
Для начала Максим решил разузнать, а что такое «жидкость»? Он мигом и сам (без энциклопедий и Интернета!) вспомнил, что существует три агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное. Жидким веществом называется то, что способно менять свою форму, сохраняя при этом объём. Для пущей уверенности он заглянул в Толковый словарь Ожегова. Повстречалось ему такое определение:
«Жидкость – это вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в который оно выливается».
Неньютоновские жидкости получили своё название в честь английского физика Исаака Ньютона (в старших классах вы будете изучать сформулированные им законы). Вернее – из‑за того, что не подчиняются сформулированному Ньютоном закону вязкого трения жидкостей, согласно которому: «жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами вне зависимости от того, какие силы действуют на неё».
Да, неньютоновская жидкость – жидкость! Она тоже текуча, не обладает определённой формой, принимает форму сосуда, в который её налили. Но это вовсе не мешает ей обладать удивительнейшими свойствами, не поддающимся законам Ньютона. Если не применять к ней силы и медленно воздействовать, то она текуча. А если быстро воздействовать и с силой, то она становится твёрдым телом. То есть это такое вещество, которое может быть и твёрдым, и жидким, в зависимости от того, как мы с ним обращаемся. Да-да! И такое бывает. В чём вы и сами можете легко убедиться, если приготовите вместе с нами неньютоновские жидкости.
Это интересно!
Три неньютоновские жидкости
ПЕРВАЯ. Её приготовить проще простого. Всего‑то понадобятся картофельный крахмал и обычная вода. Нужно смещать их в пропорции 1:1, то есть сколько взяли крахмала, столько же и воды. Не удивляйтесь: получится что‑то, похожее на кисель.
ВТОРАЯ. Сделаем любимчика ребят – слайм или лизун. Итак…
Нам понадобятся:
- Клей ПВА – 85 г
- Пищевой краситель – несколько капель
- Тетраборат натрия (4%-ный раствор). Не пугайтесь сложного названия, средство легко можно найти в любой аптеке
Приготовление!
1. В ёмкость (к примеру, небольшую мисочку) вылейте весь тюбик клея ПВА. Добавьте к нему несколько капель пищевого красителя.
2. Начните перемешивать клеевую смесь карандашом или любой ненужной палочкой, постепенно добавляя в смесь тетраборат натрия.
3. Влили всё? Молодцы! Ещё раз хорошенечко всё перемешайте и проверяйте результат: должна получиться загустевшая, но тягучая субстанция.
ТРЕТЬЯ. А на «закуску» приготовим… ферромагнитную жидкость. Это звучит только сложно, сделать её очень легко. Нужны лишь растительное масло и порошок-тонер для заправки лазерных принтеров. Добавьте к 50 мл тонера 30 мл масла и тщательно всё перемешайте. Получится чёрная однородная смесь, похожая на сметану.
Ну что же, неньютоновские жидкости приготовили. Самое время провести парочку занимательных опытов с ними, чтобы наглядно убедиться: они о-о-очень необычные и совсем не поддаются законам физики.
Вода, которую трудно размешать
Ничего сложного мы делать не будем. Просто предлагаем попытаться размешать ложкой (или любым другим предметом, который окажется у вас под рукой) неньютоновскую жидкость.
«Чем сильнее я старался размешать неньютоновскую жидкость, тем больше сопротивления она оказывала – вела себя как твёрдое тело. Как только я начинал размешивать её без усилий, так сразу же её удивительные свойства исчезали. Получается, если воздействовать на неньютоновскую жидкость с силой, то она проявляет свойства твёрдых тел», – поделился своими наблюдениями Максим.
Кто сильнее?
Второй опыт – попытайтесь ударить по жидкости. Да-да! Не бойтесь выпачкаться! Это обычная вода сразу же расплескается, неньютоновская жидкость поведёт себя совсем по‑иному. Если вы решите медленно погрузить в неё кулак – не встретите никакого сопротивления. Он как бы «утонет». А теперь ударьте посильнее и готовьтесь удивляться. Неньютоновская жидкость не расплёскивается, а кулак в неё не погружается, как бы вы ни старались.
Максим не унимался: ударил по подопытной жидкости скалкой, ложкой и даже молотком. Результат во всех случаях был одинаковым, как от удара по твёрдому предмету: брызг не было, а сам предмет в жидкости не тонул.
«Я ещё раз опытным путём убедился, что неньютоновская жидкость под воздействием силы ведёт себя как твёрдое тело», – говорит юный исследователь.
Прыгающий слайм
Возьмите слайм, приготовленный по второму рецепту, и помните его недолго в руках, а после скатайте упругий шарик. Ну а теперь ударьте его прямо о стол. Шар из слайма, как настоящий резиновый мячик, тут же отскочит от него. Что интересно – чем сильнее вы будете его бросать, тем с большей силой он будет отскакивать обратно.
«Этот вид неньютоновской жидкости обладает теми же удивительными свойствами, что и жидкость на основе крахмала. Он также меняет их, когда на него оказывают воздействие, и становится похожим на твёрдое вещество», – пояснил Максим.
Эксперимент или волшебство?
Решил Максим также разузнать, а может ли неньютоновская жидкость держать форму?
«Обычная вода при попадании на ладонь просто стекала, а из неньютоновской жидкости у меня получилось скатать твёрдый шарик в ладони. И чем сильнее я его катал в руках, тем твёрже он становился. Но как только я останавливался и ничего с ним не делал, то шарик сразу же растекался, как и обычная вода. Получается, неньютоновская жидкость может держать форму, пока не перестаёшь на неё воздействовать, то есть, к примеру, как в моём случае, катаешь шарик. Но как только ты перестаёшь её катать, мять, бить, она снова принимает жидкое состояние», – рассказал Максим.
Так жидкость ли это?
Все мы знаем, что любую жидкость можно легко перелить из одного сосуда в другой. Интересно, а неньютоновская жидкость будет течь и, если да, то как быстро? Ну что же, давайте проведём ещё один опыт.
Максим опытным путём узнал: сверху струя неньютоновской жидкости течёт как ньютоновская, а снизу собирается комками, как твёрдое тело. При этом течёт она намного медленнее, чем ньютоновская: обычная жидкость, по подсчётам Максима, за 1 секунду, неньютоновская – около 30 секунд. Слайм же вообще тянулся в течение 2 минут. Получается, неньютоновская жидкость обладает так называемыми свойствами текучести, вот только течёт она медленнее, чем обычная вода. Да и собирается снизу в комочки как твёрдое тело.
«Колючий ёжик»
Ну а теперь проведём опыт с ферромагнитной жидкостью – изучим, как влияет магнитное поле на неё. И снова всё просто: поднесите к жидкости через ёмкость обычный магнит. Что мы видим? Она начала двигаться и вытягиваться, принимая форму колючего ёжика.
«Также оказалось, что можно перемещать это вещество в сосуде, для этого достаточно двигать магнит в любую сторону. Я получил ещё один вывод: магнитное поле может воздействовать на ферромагнитную жидкость, изменяя её форму, а также заставляет прийти её в движение», – говорит Максим.
«Бронежилет для яйца»
А напоследок Максим решил разузнать, а может ли неньютоновская жидкость со всеми её удивительными свойствами, схожими со свойствами твёрдых тел, стать защитной оболочкой? Юный исследователь взял приготовленную неньютоновскую жидкость и вылил её в пакет, туда же поместил сырое яйцо и крепко завязал его. В другой пакет налил обычную воду. И тоже положил в него сырое куриное яйцо и крепко завязал. Дальше Максим бросил оба пакетика на пол с расстояния одного метра. Ба-а-а-х! Что же произошло? Яйцо, находившееся в пакете с обычной водой, сразу же разбилось. А вот яйцо, лежавшее в неньютоновской жидкости, осталось целым. Максим решил повторить опыт, немного усложнив его: бросил пакет с неньютоновской жидкостью и яйцом с высоты 2 метра.
«И снова яйцо осталось, как и прежде, целым. А не разбилось оно благодаря тому, что при ударе об пол неньютоновская жидкость разделилась на слои: об пол первым ударился твёрдый слой, а следующие становились мягче и не повредили яйцо. Именно это его и защитило! Неньютоновская жидкость может с лёгкостью стать хорошей защитной оболочкой», – рассказал о результатах своего опыта Максим.
Занимательные получились эксперименты! Хотите повторить?