Dezvăluind secretele lui Oobleck, o substanță lichidă și solidă ciudată

Oobleck există de mult timp Exemplul meu preferat de la noi Fluid non-newtonianȘi nu sunt singura. Este foarte popular Experimentul „Știința bucătăriei”. Pentru că este simplu și ușor de făcut. Amestecă o parte apă cu două părți amidon de porumb, adaugă puțin colorant alimentar pentru distracție și ai Oobleck, care se comportă fie ca lichid, fie ca solid, în funcție de cantitatea de presiune aplicată. Se amestecă încet și constant, cât timp este lichid. Loviți-l puternic și va deveni mai solid sub strânsoarea ta. De asemenea, puteți umple bălți mici cu obiecte și puteți trece peste ele, deoarece Oobleck se va solidifica de fiecare dată când renunțați – un afișaj fizic strălucitor care apare frecvent în mod natural Pe Youtube.

Principiile fizice de bază ale acestei substanțe simple sunt surprinzător de complexe și complicate și, prin urmare, fascinante pentru oamenii de știință. Inginerii moleculari de la Universitatea din Chicago au folosit suspensii dense de nanoparticule piezoelectrice pentru a măsura ce se întâmplă la nivel molecular atunci când comportamentul oobleck trece de la lichid la solid, potrivit unui studiu recent. Hârtie nouă Publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Aproape de sfârșitul vieții sale, Isaac Newton a determinat proprietățile unui „fluid ideal”. Una dintre aceste caracteristici este Viscozitate, este definit în mod vag ca cantitatea de frecare/rezistență care curge într-un anumit material. Frecarea apare deoarece fluidul care curge este în esență o serie de straturi care alunecă unul peste celălalt. Cu cât un strat alunecă mai repede peste altul, cu atât rezistența este mai mare; Cu cât un strat alunecă mai lent peste alt strat, cu atât rezistența este mai mică. Dar lumea nu este un loc perfect.

în Fluidul ideal al lui NewtonVâscozitatea depinde în mare măsură de temperatură și presiune: apa va continua să curgă indiferent de alte forțe care acționează asupra ei, cum ar fi agitarea sau amestecarea. În fluidele non-newtoniene, vâscozitatea se modifică ca răspuns la o presiune aplicată sau la o forță de forfecare, depășind astfel granițele dintre comportamentul fluidului și al solidului. Mișcarea unui pahar de apă produce o forță de forfecare, iar foarfecele de apă se îndepărtează din drum. Vâscozitatea rămâne neschimbată. Dar pentru fluidele non-newtoniene, cum ar fi opace, vâscozitatea se modifică atunci când se aplică forța de forfecare.

Ketchup-ul, de exemplu, este un fluid non-newtonian cu o grosime de forfecare, care este unul dintre motivele pentru care lovirea fundului sticlei nu face ca ketchup-ul să iasă mai repede; Aplicarea forței crește vâscozitatea. Iaurtul, sosul, suspensia, budinca și umpluturile groase de plăcintă sunt alte exemple. La fel și Oobleck. (Numele provine din cartea pentru copii a Dr. Seuss din 1949, Bartolomeu și Oobleck.) În schimb, vopseaua care nu se scurge prezintă un efect de „subțiere prin forfecare”, poate fi îndepărtată cu ușurință, dar devine mai vâscoasă odată aplicată pe perete.

În 2019, Dezvoltat de cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts Un model matematic util pentru prezicerea modului în care oobleck trece de la o stare lichidă la o stare solidă și înapoi în diferite condiții. Și-au adaptat modelul de afaceri la nisipul umed, un material granular. Există unele asemănări, dar moleculele de amidon de porumb din oobleck au aproximativ o sutime din dimensiunea granulelor de nisip (între 1 și 10 microni). La acele scale mici, fizica este vizibil diferită. De exemplu, temperatura are un efect mai mare asupra moleculelor de amidon de porumb, la fel ca și sarcinile electrice, care se acumulează între molecule pentru a provoca un efect respingător. Prin urmare, în timp ce nisipul umed are aceeași vâscozitate la orice densitate de ambalare dată, indiferent de presiunea aplicată (de exemplu, agitație sau perforare), vâscozitatea nisipului opalescent se modifică dramatic.

echipa MIT Adăugat în mod specific „Variabila de aglomerare”, a modelului lor, descrie cantitatea de contact de frecare dintre moleculele de amidon de porumb, mai degrabă decât contactul lubrifiat, pentru a prezice modul în care această nouă variabilă se va schimba ca răspuns la diferite presiuni. Apoi au efectuat simulări pe computer ale experimentelor anterioare de laborator – care au implicat comprimarea și forfecarea Oobleck între două plăci și tragerea unui proiectil mic simulat în tancul Oobleck – pentru a testa predicțiile modelului. Aceste simulări s-au potrivit cu rezultatele experimentale ale studiilor anterioare.