Неньютоновская жидкость: что это такое и как сделать её дома

Смесь крахмала с водой течёт сквозь пальцы, как густая сметана, а под кулаком становится твёрдой. Фокуса тут нет — есть реология, раздел физики о деформациях и текучести. Дальше: почему смесь так себя ведёт, какие бывают неньютоновские жидкости, рецепт с пропорциями и восемь опытов, которые можно поставить на кухонном столе.

Что такое неньютоновская жидкость простыми словами

Вязкость такой жидкости непостоянна — она зависит от скорости сдвига, то есть от того, как быстро и с какой силой на неё давят. Помешаешь медленно — течёт. Ударишь резко — упирается, как твёрдое тело. Бывает и обратная картина: кетчуп от встряхивания разжижается.

Чтобы понять, чем эти среды особенные, вспомним «обычные». Исаак Ньютон в 1686–1687 годах, работая над «Началами» (изданы в 1687-м), сформулировал закон вязкого трения: касательное напряжение между слоями жидкости пропорционально скорости их относительного движения, τ = μ·(dv/dy). В переводе академика А. Н. Крылова сопротивление возникает «от недостатка скользкости жидкости».

Коэффициент μ — та самая вязкость. У ньютоновских жидкостей при данной температуре она постоянна: вода, водные растворы солей, бензин, керосин, глицерин, ацетон, минеральные масла, нефтепродукты, жидкая ртуть. Размешиваете вы воду ложкой или миксером — вязкость одна и та же.

А вот в неньютоновских средах пропорциональность ломается. Такие жидкости почти всегда неоднородны: в них плавают крупные молекулы-полимеры или взвешенные частицы, и при течении эти частицы то собираются в пространственные структуры, то разрушают их. Науку об этом назвал реологией американец Юджин Бингам, а официально термин закрепили на третьем симпозиуме по пластичности в США в 1929 году.

Виды неньютоновских жидкостей и реологические модели

Классифицируют их по тому, как именно ведёт себя вязкость.

Тип	Как меняется вязкость	Бытовые примеры	Типичная модель
Дилатантные (сдвигово-утолщающиеся)	Растёт при увеличении скорости сдвига	Крахмал с водой, зыбучий песок, концентрированные суспензии	Степенной закон, n > 1
Псевдопластичные (сдвигово-разжижающиеся)	Падает при увеличении скорости сдвига	Кетчуп, краска, кровь, шампунь, полимерные расплавы и растворы	Степенной закон, n < 1
Бингамовские пластики	Не текут, пока напряжение ниже предела текучести	Зубная паста, майонез, глинистые суспензии	Модель Бингама, Гершеля — Балкли
Тиксотропные	Уменьшается со временем при постоянном воздействии	Буровые и лакокрасочные составы, гели	Зависящие от времени модели
Реопексные	Растёт со временем при постоянном воздействии	Редкий случай, отдельные суспензии	Зависящие от времени модели
Вязкоупругие	Совмещают течение и упругость	Флаббер, слайм, «умный пластилин»	Модели вязкоупругости

Нарисуйте кривую течения — зависимость касательного напряжения τ от скорости сдвига. У ньютоновской жидкости выйдет прямая из начала координат. У псевдопластичной кривая выпуклая вверх, сопротивление нарастает всё медленнее; у дилатантной наоборот, вогнутая, всё быстрее. А у бингамовского пластика прямая стартует не из нуля: пока напряжение не перевалило через предел текучести, вещество держится как твёрдое. Поэтому краска стоит слоем на вертикальной стене, а из открытого тюбика зубной пасты ничего само не течёт.

Математика тут такая: степенной закон Оствальда — де Ваале (показатель n больше единицы — дилатансия, меньше — псевдопластика), модель Гершеля — Балкли, где к степенному закону добавлен предел текучести, и модель Кэссона — её применяют к крови и шоколадным массам. Классическое уравнение Навье — Стокса в исходном виде для таких сред не работает, тензор вязких напряжений приходится усложнять. Хотите глубже — на русском есть классика: У. Л. Уилкинсон «Неньютоновские жидкости» (пер. 1964), Дж. Астарита и Дж. Марруччи (1978) и М. Рейнер «Реология» (1965).

Почему неньютоновская жидкость ведёт себя то как твёрдое тело, то как жидкость

Возьмём крахмальную суспензию. Гранулы крахмала — частицы размером примерно 5–20 микрометров, взвешенные в воде. В удачно замешанной смеси их объёмная доля высока: гранулы почти касаются друг друга, между ними остаются только тонкие водные прослойки, они же смазка.

Воздействие медленное — вода успевает перетекать по этим зазорам, гранулы скользят, смесь течёт. Резкий удар, быстрый сдвиг — и воде не хватает времени вытесниться из сужающихся зазоров. Частицы сходятся до контакта и сцепляются в перколяционные кластеры, то есть во временный жёсткий каркас, который и берёт на себя нагрузку. Это и есть shear thickening, сдвиговое загустевание.

Картина с вытеснением воды — упрощённая. В концентрированных суспензиях работают и другие механизмы: разрушение смазывающих прослоек, прямые фрикционные контакты гранул, заклинивание плотной упаковки частиц. Для домашнего опыта хватит модели с зазорами, но единственным объяснением она не считается.

Ключевое слово — временный. Каркас живёт доли секунды. Нагрузку сняли — вода вернулась в зазоры, кластеры рассыпались, масса снова течёт. Химия тут ни при чём, эффект обратим. Характерное время восстановления называют временем релаксации, и это одно из базовых понятий реологии: именно оно связывает «жидкое» и «упругое» поведение одного и того же вещества.

Отсюда и ответ на известный вопрос: почему по бассейну с крахмальной смесью можно пробежать, но нельзя стоять? Быстрый шаг даёт высокую скорость сдвига, под стопой мгновенно вырастает твёрдый каркас и держит вес, пока вы не задержались. Стоящий человек нагружает смесь медленно, каркас не собирается, вода уходит из зазоров — и ноги вязнут, как в густом тесте. Зыбучий песок и плывуны тоже относят к дилатантным средам, но там картина сложнее: многое зависит от водонасыщения грунта и укладки песчинок, поэтому прямую аналогию с миской крахмала лучше не проводить.

Как сделать неньютоновскую жидкость дома из крахмала и воды

Смесь крахмала с водой называют ооблеком (oobleck). Два ингредиента, 5–10 минут.

Инвентарь: миска, мерный стакан, ложка, клеёнка или поднос под рабочую зону, по желанию — гелевый пищевой краситель (на реологию он не влияет).

Пропорция-основа: кукурузный крахмал и вода в соотношении 2:1 по объёму. По массе выходит примерно полтора к одному: около 150 г крахмала на 100 мл воды комнатной температуры. Мерным стаканом удобнее отмерять две части крахмала на одну часть воды.

1. Насыпьте крахмал в миску.
2. Хотите цветную массу — размешайте краситель в воде заранее, потом уже не получится ровно.
3. Вливайте воду малыми порциями, каждый раз тщательно вымешивая: сначала ложкой, дальше руками.
4. Разминайте, пока не исчезнут все комочки. Это минут пять, иногда десять.

Признаки правильной консистенции: масса медленно стекает с ложки густой лентой, от резкого шлепка ладонью пружинит и на мгновение твердеет, а скатанный быстрыми движениями шарик держит форму, пока вы его катаете, и растекается, стоит остановиться.

Что делать, если вышло не то:

Проблема	Причина	Что сделать
Течёт как молоко, от удара не твердеет	Воды слишком много, объёмная доля частиц мала	Досыпать крахмал по столовой ложке, вымешивая после каждой
Густо, крошится, рвётся кусками	Мало воды	Добавить воду по чайной ложке
Остаются комки	Воду влили сразу или мешали мало	Разминать руками дальше; в следующий раз лить малыми порциями
Шарик не держится в ладонях	Смесь не дошла до нужной плотности	Досыпать крахмал и катать быстрее — эффект зависит от скорости сдвига
В контейнере вода отделилась сверху	Суспензия расслоилась при стоянии	Перемешать перед игрой
Подсохла и стала жёсткой	Испарилась вода	Вмешать воду по чайной ложке до прежней консистенции

Пропорции стоит считать переменной опыта: ближе к 1:1 эффект слабеет, а при избытке воды исчезает совсем — каркасу просто не из чего собираться.

Есть и второй путь — картофельный крахмал с водой примерно поровну по массе. При медленном перемешивании получается консистенция сметаны. Ведёт себя картофельный крахмал не совсем как кукурузный, так что сравнение двух смесей — уже готовый домашний эксперимент.

Другие домашние рецепты: флаббер и слайм

Ооблек — дилатантная суспензия. Флаббер и слайм относятся к вязкоупругим материалам: они медленно текут, упруго отскакивают и рвутся при резком растяжении. Промышленный родственник — «хендгам», он же «умный пластилин» или «лизун».

Как устроен флаббер. Основа — клей ПВА, длинные молекулы поливинилового спирта. Бораты (соли борной кислоты, например бура) сшивают эти цепочки в рыхлую сетку, и сшивки постоянно рвутся и возникают заново. Отсюда поведение: медленно тянется, от резкого рывка рвётся, брошенный комок отскакивает. Порошковую буру в домашние опыты с детьми мы не берём: это уже работа с реактивом, а не с кухонными продуктами. Если хочется слайма, проще взять готовый набор и следовать инструкции на упаковке.

Съедобный вариант для малышей. Тем, кто всё тянет в рот, массу для тактильных игр делают на кукурузном сиропе или сгущёнке, загущённых крахмалом. Свойства скромнее, зато безопасно.

Опыты и эксперименты с неньютоновской жидкостью для детей

Все опыты с ооблеком годятся детям от 3 лет под присмотром взрослого. К каждому — ожидаемый результат, чтобы было с чем сравнить.

1. Медленно и быстро. Медленно опустите пальцы в миску — они уйдут вглубь без сопротивления. Резко ударьте ладонью — поверхность станет твёрдой, брызг почти не будет.
2. Шарик-перевёртыш. Быстро катайте порцию массы между ладонями, получится плотный шарик. Остановитесь — он растечётся по руке за пару секунд. Время релаксации как на ладони.
3. Разрыв. Возьмите комок двумя руками: тяните медленно — тянется, как тесто; дёрните резко — разломится с почти ровным «твёрдым» краем.
4. Ложка-тест. Медленно ведите ложку сквозь массу — идёт легко. А теперь быстро: ложка упрётся, будто в мокрый песок.
5. Танцующая жидкость. Налейте тонкий слой смеси на туго натянутую плёнку поверх динамика или сабвуфера и включите низкочастотный сигнал около 40–60 Гц. Масса начнёт собираться в «пальцы» и движущиеся фигуры — вибрация работает как те же быстрые сдвиги.
6. Грузик и секундомер. Опускайте на поверхность небольшой шарик и засекайте время погружения при разной высоте сброса. Чем резче контакт, тем дольше шарик лежит сверху. Домашняя реометрия в самом простом виде.
7. Сравнение крахмалов. Замешайте две смеси, на кукурузном и на картофельном, и посмотрите, какая твердеет охотнее.
8. На следующий день. Оставьте немного массы открытой и загляните в миску утром: подсохшая смесь ведёт себя иначе, доля воды изменилась. Хороший повод поговорить о том, что свойства зависят от состава.

Младшему школьнику хватит объяснения про песчинки: частички крахмала как песок, бьёшь быстро — вода не успевает их раздвинуть, и они упираются друг в друга. Ребёнку постарше уже можно про скорость сдвига, вязкость и кривые течения из раздела выше.

Безопасность, хранение и утилизация

Крахмальная смесь нетоксична, ингредиенты пищевые. Но есть её не стоит: сырой крахмал в таком количестве — не еда. За малышами присматривайте так же, как при любой тактильной игре.

Хранение. В закрытом контейнере в холодильнике смесь живёт 2–3 дня, потом расслаивается и начинает пахнуть. Перед повторной игрой перемешайте и добавьте ложку воды, если нужно.

Утилизация. Не смывайте крахмальную массу в раковину или унитаз — осев в трубах, она густеет и даёт засор. Дайте массе подсохнуть и выбросьте в мусорное ведро; чистый ооблек без красителя можно отправить в компост.

Уборка. Свежее пятно лучше не размазывать мокрой тряпкой: дождитесь, пока подсохнет, соскоблите сухим способом, а остатки смойте тёплой водой. С одежды подсохший крахмал счищается щёткой перед стиркой.

Где неньютоновские жидкости встречаются в жизни и технике

Оглядитесь на кухне. Кетчуп разжижается от встряхивания, сметана и мёд текут не так, как вода, тесто тянется и рвётся. Зубная паста — бингамовский пластик. Кровь — псевдопластичная среда, и реология биологических жидкостей давно выросла в отдельное направление. В природе те же свойства у лавы, болотной грязи, плывунов и мокрого песка на пляже: наступите резко — он твёрдый, постойте — нога уходит.

Прикладных областей у реологии много:

• Защитные материалы. STF-композиты (shear thickening fluid) и вставки типа D3O в спортивной экипировке и чехлах: мягкие при ношении, твердеют при ударе. Тот же принцип изучают для бронежилетов. Только не путайте масштабы: в технике работает подобранная суспензия в композитной основе, а не миска крахмала в кармане.
• Амортизаторы и демпферы. Магнито- и электрореологические жидкости меняют вязкость под полем — отсюда управляемые подвески и гасители вибраций.
• Буровые растворы. Тиксотропность нужна, чтобы раствор тёк при прокачке, но удерживал частицы породы при остановке.
• Лакокрасочные материалы. Краска обязана легко наноситься, разжижаясь под кистью, и не стекать со стены — за это отвечает предел текучести.
• Пищевая промышленность. Сметану, майонез, соусы и шоколадные массы рассчитывают по реологическим моделям, в том числе по модели Кэссона.

Эффектную сторону явления популяризаторы освоили давно: бассейны с крахмальной смесью, по которым бегают участники шоу, и сюжеты «Галилео» сделали ооблек одним из самых известных домашних физических опытов. Зато теперь вы знаете, какая реология за ним стоит.

Частые вопросы (FAQ)

Какой крахмал лучше — кукурузный или картофельный? Классический ооблек делают из кукурузного, 2:1 по объёму с водой. Картофельный тоже работает — его берут с водой примерно поровну по массе; упругость и порог затвердевания у смесей различаются, это легко проверить самим.

Почему моя смесь не твердеет от удара? Скорее всего, перелили воды: объёмная доля частиц мала, жёсткий каркас не образуется. Досыпайте крахмал по столовой ложке до нужной консистенции.

Можно ли есть ооблек? Нетоксичен, но для еды не предназначен. Для малышей, которые всё пробуют, делайте съедобные тактильные массы на кукурузном сиропе или сгущёнке.

Сколько хранится готовая смесь? 2–3 дня в закрытом контейнере в холодильнике. Дальше расслоение и запах, проще замешать свежую.

Куда девать массу после опыта? В мусорное ведро или компост, предварительно подсушив. В канализацию нельзя — крахмал забивает трубы.

Ооблек и слайм — это одно и то же? Нет. Ооблек — дилатантная суспензия, твердеющая при ударе. Слайм и флаббер — вязкоупругие материалы на полимерной основе: тянутся, отскакивают и не расслаиваются на крахмал с водой.