Жидкости

Газетные статьи Ласло Биро печатались на машине, которая представляет собой набор цилиндрических валиков, накатывающих чернила на непрерывный длинный лист бумаги. Чтобы успеть подготовить миллионы экземпляров газет для ночной доставки по всей стране, их необходимо печатать очень быстро. Страницы проходят через машину со скоростью несколько тысяч в час, так что очень важно было, чтобы чернила сохли практически мгновенно: иначе всё напечатанное размажется, когда отдельные страницы будут собирать в газеты. Для этого и были изобретены чернила, которыми так восхищался Ласло. Когда он придумывал, как усовершенствовать ручку, он размышлял о том, как воспроизвести печатный процесс в гораздо меньшем масштабе. Для этого ему потребовался бы ролик, который мог непрерывно смазывать чернилами кончик ручки; со временем ему в голову пришла идея использовать крохотный шарик. Но как доставить чернила к нему, чтобы он мог раскатать их по бумаге? Изобретатель был уверен, что чернила для печатных машин слишком густы для того, чтобы сила тяжести доставила их из резервуара к шарику. Но ему на помощь пришло необычное физическое явление — неньютоновская жидкость.

Есть взаимосвязь между скоростью потока жидкости и приложенной к ней силой — то, что мы называем вязкостью. Густые жидкости, такие как мед, имеют высокую вязкость и текут медленно, а текучие, например вода, — низкую и текут быстро под действием той же силы. Вязкость большинства жидкостей не изменится, если вы увеличите приложенную к ним силу. Такие жидкости называют ньютоновскими.

Но существуют и другие, странные; они не играют по правилам ньютоновского потока. Например, если смешать кукурузный крахмал с небольшим количеством холодной воды, образуется состав, который будет текучим, если помешивать его медленно. Но если мешать его быстро, то он станет очень вязким — настолько, что будет вести себя как твердое тело. В таком состоянии по его поверхности можно ударить кулаком, и он не расплещется, а будет сопротивляться удару. Это мы и называем неньютоновским поведением: такая жидкость не имеет определенной вязкости, определяющей ее текучесть.

Описанный выше раствор кукурузного крахмала иногда называют ублеком (название взято из книги Доктора Сьюза «Бартоломью и Ублек»). Неньютоновское поведение ублека полностью объясняется его внутренней структурой. На микроскопическом уровне он полон крохотных частиц крахмала, очень плотно подвешенных в воде. При низких скоростях у них достаточно времени, чтобы найти пути обхода друг друга — примерно как пассажиры, выходящие из переполненного поезда. Крахмал при этом течет нормально. Но если приложить усилие и попытаться заставить его двигаться быстро, частицы не будут успевать обходить друг друга и всё остановится. И так же, как пассажиры в потоке не могут двигаться, если те, кто впереди, стоят, так и застревание всего нескольких частиц крахмала останавливает остальные. Вот почему вся жидкость встает колом, становясь всё более вязкой.

Ублек — не единственная неньютоновская жидкость. Если вам доводилось покрывать стену эмульсионной краской, вы, возможно, замечали, что в банке она кажется очень густой, чуть ли не как желе. Но если последовать инструкции и тщательно перемешать ее, то в процессе она станет жидкой, а затем, стоит вам прекратить размешивание, снова превращается в желе. Это тоже неньютоновское поведение, но здесь жидкость, наоборот, становится более жидкой под действием приложенной силы. Причина опять же кроется во внутренней структуре. Эмульсионная краска — просто вода со множеством подвешенных в ней крошечных капелек масла. Когда им позволяют успокоиться, они притягиваются друг к другу и образуют крохотные связи, запирая воду в промежутках и образуя слабую структуру — желе. Когда же вы размешиваете краску, молекулярные связи, соединяющие крохотные капельки масла, разрываются, высвобождая воду и позволяя ей течь. То же происходит, когда вы подвергаете краску давлению, размазывая ее кистью по стене. Но как только она оказывается на стене и давление на нее исчезает, связи между капельками масла снова формируются, краска становится вязкой и образует толстый слой, который не капает и не стекает вниз. По крайней мере, такова теория; очевидно, всё сводится к тому, насколько хорошо химики, составлявшие краску, могут контролировать связи между капельками масла, их размер и количество. Добиться правильного соотношения непросто, вот почему банка хорошей краски стоит так дорого.

Даже если вы не художник и не декоратор, вы наверняка встречались с неньютоновскими жидкостями на кухне. Подобно водоэмульсионной краске, томатный кетчуп под давлением становится более текучим. Он не согласен выливаться на тарелку, пока вы не стукнете по дну бутылочки; ударное давление заставляет его стать жидким и вылететь из горлышка. Вот почему так трудно контролировать скорость, с которой он выливается из бутылки: если сила недостаточно велика, он течет очень медленно, но стоит стукнуть как следует, как вязкость внезапно падает и соус заливает всю тарелку.