Dezvăluirea secretelor lui oobleck — lucruri ciudate care sunt atât lichide, cât și solide

Oobleck a fost de mult exemplul meu preferat de a fluid non-newtonianși nu sunt singura. Este extrem de popular experimentul „știința bucătăriei”. pentru că este simplu și ușor de făcut. Amestecă o parte apă cu două părți amidon de porumb, adaugă o strop de colorant alimentar pentru a te distra și ai oobleck, care se comportă fie ca lichid, fie ca solid, în funcție de cât de mult stres este aplicat. Se amestecă încet și constant și este lichid. Loviți-l puternic și devine mai solid sub pumnul dvs. Puteți chiar să umpleți bazine mici cu chestii și să treceți peste el, deoarece oobleck-ul se va întări de fiecare dată când renunțați — o demonstrație arătătoare de fizică care apare în mod natural mult pe Youtube.

Principiile fizice care stau la baza acestei substanțe simple sunt surprinzător de nuanțate și complexe și, prin urmare, sunt fascinante pentru oamenii de știință. Inginerii moleculari de la Universitatea din Chicago au folosit suspensii dense de nanoparticule piezoelectrice pentru a măsura ceea ce se întâmplă la nivel molecular atunci când oobleck trece de la comportamentul lichid la cel solid, potrivit unui studiu. hârtie nouă publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Spre sfârșitul vieții sale, Isaac Newton a expus proprietățile unui „lichid ideal”. Una dintre aceste proprietăți este viscozitate, definită vag ca frecare/rezistență care trebuie să curgă într-o anumită substanță. Frecarea apare deoarece un lichid care curge este în esență o serie de straturi care alunecă unul pe lângă celălalt. Cu cât un strat alunecă mai repede peste altul, cu atât există mai multă rezistență; cu cât un strat alunecă mai lent peste altul, cu atât este mai puțină rezistență. Dar lumea nu este un loc ideal.

În Fluidul ideal al lui Newton, vâscozitatea 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. Într-un fluid non-newtonian, vâscozitatea se modifică ca răspuns la o deformare aplicată sau la o forță de forfecare, depășind astfel granița dintre comportamentul lichid și cel solid. Agitarea unei cani de apă produce o forță de forfecare, iar apa se forfecă pentru a se îndepărta din drum. Vâscozitatea rămâne neschimbată. Dar pentru fluidele non-newtoniene, cum ar fi oobleck, vâscozitatea se modifică atunci când se aplică o forță de forfecare.

Ketchup-ul, de exemplu, este un fluid non-newtonian care se îngroașă prin forfecare, care este unul dintre motivele pentru care lovirea cu fundul sticlei nu face ca ketchup-ul să iasă mai repede; aplicarea forței crește vâscozitatea. Iaurtul, sosul, noroiul, budinca și umpluturile de plăcintă îngroșate sunt alte exemple. Și la fel și oobleck. (Numele derivă dintr-o carte pentru copii Dr. Seuss din 1949, Bartolomeu și Oobleck.) În schimb, vopseaua care nu se scurge prezintă un efect de „subțiere”, periând cu ușurință, dar devenind mai vâscoasă odată ce este pe perete.

În 2019, Cercetătorii MIT au dezvoltat un model matematic la îndemână pentru a prezice modul în care oobleck trece de la lichid la solid și înapoi în diferite condiții. Și-au adaptat modelul de lucru pentru nisip umed, un material granular. Există unele asemănări, dar particulele de amidon de porumb din oobleck au o sutime din dimensiunea granulelor de nisip (între 1 și 10 microni). La acele scări de dimensiuni mici, fizica este semnificativ diferită. De exemplu, temperatura are un impact mai mare asupra particulelor de amidon de porumb, la fel ca și sarcinile electrice, care se acumulează între particule pentru a provoca un efect de repulsie. Deci, în timp ce nisipul umed are aceeași vâscozitate la orice densitate de ambalare dată, indiferent de solicitarea aplicată (de exemplu, agitare sau perforare), vâscozitatea lui oobleck se modifică dramatic.

Echipa MIT adăugate în mod specific o „variabilă de aglomerație” la modelul lor, care descrie cantitatea de contact de frecare dintre particulele de amidon de porumb, spre deosebire de contactul lubrifiat, pentru a prezice modul în care acea nouă variabilă s-ar schimba ca răspuns la diferite solicitări. Apoi, au rulat simulări pe computer ale experimentelor anterioare de laborator – care au implicat strângerea și forfecarea oobleck între două plăci și împușcarea unui proiectil mic simulat într-un rezervor de oobleck – pentru a testa predicțiile modelului. Aceste simulări se potriveau cu rezultatele experimentale din studiile anterioare.