Dawno dawno temu filozof Hieraklit z Efezu miał powiedzieć słynne słowa „panta rhei”, czyli „wszystko płynie” i tym lapidarnym zwrotem zwrócić uwagę na przemijalność i zmienność wszystkiego w przyrodzie. Dziś może niekoniecznie o filozofii, ale o tym co może płynąć, choć pozornie wydaje się cieczą nie być, a także o różnych innych płynach, które lubią płatać figle.
Wyjaśnijmy sobie najpierw dwa terminy, które mają odmienne znaczenie w nauce i w życiu codziennym. Pierwszy z nich to gęstość. Gęsta zupa to dla każdego z nas zupa pełna składników, którą ciężko się miesza. Dużą gęstość ma kisiel, farba do malowania ścian itd. W chemii i fizyce jednak gęstość to parametr opisujący ilość materii w jednostce objętości. Gęsta jest rtęć, bo jej litr wazy ponad trzynaście kilogramów, a powietrze ma gęstość znikomą, bowiem jego litr waży nieco ponad jeden gram.
Tą cechę, którą język potoczny nazywa gęstością naukowcy nazywają lepkością. I wcale nie ma ona związku z przyczepnością i właściwościami klejącymi. Lepkość to cecha płynów (a więc cieczy i gazów) opisująca to w jakim stopniu cząsteczki tworzące płyn „ocierają się o siebie” stawiając opór, gdy płyn jest w ruchu. Dla przykładu kisiel jest też bardziej lepki od wody, bowiem więcej energii trzeba aby zamieszać łyżeczką kubek danej tego pierwszego.
Lepkość opisuje więc zależność między siłą jaką trzeba przyłożyć do płynu, żeby nadać mu pożądaną prędkość. Opisuje to tak zwane równanie Newtona (tak, tak, tego od grawitacji). Oczywiście im większą siłę zastosujemy, tym płyn popłynie szybciej, ale jeśli porównujemy dwa płyny o różnych właściwościach to stosując taką samą siłę na starcie ten mniej lepki popłynie wolniej. Ale niezależnie od tego, zawsze jeśli zwiększymy siłę np. dwa razy, to szybkość płynięcia też wzrośnie dwukrotnie. To w sumie logiczne, prawda?
Ale powiem Wam, że jest naprawdę sporo płynów, dla których ta zależność nie jest zachowana i lepkość nie jest wartością stałą. Nazywamy te płyny nienewtonowskimi, a to dlatego, że nie jest dla nich spełnione równanie Newtona. Należy do nich wiele cieczy złożonych z dużych cząsteczek, np. polimerów, których wzajemne oddziaływanie rzutuje na właściwości danej substancji.
I tu się zaczyna zabawa, bowiem takie płyny mają naprawdę wiele zaskakujących właściwości. Na przykład są wśród nich np. płyny rozrzedzane ścinaniem, czyli takie, których lepkość tym bardziej maleje im większą siłą na nie działamy. Czyli im szybciej płyną tym mniej siły potrzeba by je jeszcze bardziej przyspieszyć. Takie właściwości ma na przykład lakier do paznokci, czy keczup. Są też płyny zagęszczane ścinaniem, o właściwościach przeciwnych, to jest takie, które im szybciej mieszamy tym większy opór stawiają. To z kolei cecha skoncentrowanych zawiesin skrobi w wodzie, czyli w pewnym sensie takich bardzo gęstych kisieli.
Są również płyny tiksotropowe. One z kolei mają takie właściwość, że chociaż działamy na nie stałą siłą to z czasem płyną coraz szybciej. Takie właściwości ma na przykład płynny miód. Można zauwazyć, że jeśli będziemy mieszać go ze stałą siłą to najpierw będzie stawiał duży opór, ale z czasem, przy tym samym wysiłku, będzie płynął coraz szybciej.
[Hardcoreraveman, Public domain, via Wikimedia Commons]
Płyny nienewtonowskie wykazują również parę innych ciekawych cech. Na przykład jest tak zwany efekt Barusa. Polega on na tym, że strumień cieczy przetłaczanej przez otwór po jego opuszczeniu zwiększa swoją średnicę. Pewnie nieraz to widzieliście wyciskając z tubki pastę do zębów, krem albo wspomniany keczup.
Inne ciekawe zjawisko to efekt Weissenberga. Kiedy zanurzymy w cieczy nienewtonowskiej obracający się pręt, np. mieszadła, to płyn nienewtonowski zacznie się po nim wspinać do góry i nie wytworzy takiego leja, jak to widzimy przy mieszaniu np. wody (będącej zasadniczo płynem newtonowskim).
Badania nad właściwościami płynów nienewtonowskich są bardzo ważne i konieczne, bo wykorzystuje je wiele gałęzi przemysłu. Do tej grupy substancji należą m.in. stopione polimery, różnego rodzaju kremy, maści, smary i bardzo dużo płynów spożywczych, jak np. majonez czy kisiel. Żeby je odpowiednio przetłaczać, czy mieszać musimy pamiętać, ze nie zachowują się one tak jak klasyczne płyny, np. alkohole czy woda.
[Wikiiuser4219, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons]
Na koniec, wrócę jeszcze to hieraklitowego „panta rhei”, które jak klamra zepnie całą naszą opowieść. W tym greckim zwrocie słowa są w analogicznym szyku, jak w języku polskim, a więc „rhei” pochodzi od „rheo” czyli płynąć. Stąd też cała gałąź nauki o tych dziwnych płynach, nazwana została właśnie reologią. Ale na dziś już koniec. Idę sobie przygotować porcję płynu nienewtonowskiego. Takiego słodkiego, o smaku truskawkowym;)
Wojciech Smułek