Опыт с неньютоновской жидкостью в домашних условиях

Неньютоновская жидкость — это вещество, которое не подчиняется привычному поведению обычных жидкостей. Вода легко растекается независимо от того, медленно или быстро мы наклоняем стакан. Смесь крахмала с водой ведет себя иначе: при медленном воздействии она остается текучей, а при резком ударе или сильном сжатии становится плотной и сопротивляется движению. Такой простой и наглядный опыт помогает познакомиться с физикой веществ и понять, почему одни материалы могут сочетать свойства жидкости и твердого тела.

Эксперимент подходит для детей школьного возраста под присмотром взрослых. Для него не нужны редкие реактивы или специальное оборудование: все необходимое обычно есть на кухне. Опыт занимает около 15–20 минут, а после него смесь можно легко убрать, если не смывать ее большими порциями в раковину.

Ингредиенты

Для приготовления небольшой порции неньютоновской жидкости подготовьте:

• 2 стакана картофельного или кукурузного крахмала;
• примерно 1 стакан воды;
• глубокую миску или пластиковый контейнер;
• ложку, лопатку или деревянную палочку;
• поднос или клеенку для защиты поверхности;
• пищевой краситель по желанию;
• одноразовые перчатки по желанию.

Точные пропорции могут немного отличаться. Важно ориентироваться не только на мерный стакан, но и на консистенцию смеси. Если масса слишком жидкая, добавьте крахмал. Если она рассыпается и плохо перемешивается, влейте немного воды. Лучше добавлять воду небольшими порциями — по одной столовой ложке.

Для опыта выбирайте обычный пищевой крахмал без добавок. Не используйте строительные порошки, неизвестные химические вещества или материалы, предназначенные не для контакта с кожей. Хотя смесь состоит из безопасных бытовых компонентов, пробовать ее на вкус не следует.

Как сделать

1. Застелите рабочее место клеенкой или поставьте миску на большой поднос. Крахмал легко рассыпается, а готовая смесь может выплескиваться при резком воздействии.

2. Насыпьте в миску два стакана крахмала. Если вы хотите сделать цветной состав, добавьте несколько капель пищевого красителя в воду, а не непосредственно в сухой порошок. Так цвет распределится равномернее.

3. Влейте в крахмал примерно половину стакана воды и начните медленно перемешивать ложкой или руками. Затем постепенно добавляйте оставшуюся воду. Не торопитесь: крахмал сначала может собираться в комки, но после нескольких минут перемешивания масса станет однороднее.

4. Проверьте консистенцию. Если медленно провести пальцем по поверхности, в смеси должна появляться бороздка, которая постепенно закрывается. Если зачерпнуть массу ладонью и сжать ее, она должна на короткое время стать плотным комком. После прекращения давления комок снова начнет растекаться.

5. Проведите простой тест на медленное и быстрое воздействие. Медленно погрузите палец в смесь — он пройдет внутрь сравнительно легко. Теперь попробуйте резко ударить по поверхности ладонью или быстро постучать по ней пальцами. Масса будет казаться твердой и не позволит руке так же легко погрузиться.

6. Скатайте небольшое количество смеси в шарик. Пока вы быстро вращаете и сжимаете его в ладонях, он сохраняет форму. Остановитесь и положите шарик на ладонь или тарелку: через несколько секунд он начнет растекаться, словно густая жидкость.

7. Проверьте, как смесь реагирует на разные движения. Медленно наклоните контейнер — масса потечет вниз. Попробуйте резко наклонить его или ударить по дну — жидкость на короткое время станет плотнее и будет двигаться заметно медленнее.

8. После завершения опыта соберите смесь в пакет или контейнер и выбросьте в бытовые отходы. Не смывайте большое количество крахмальной массы в канализацию: она может осесть в трубах и вызвать засор. Остатки на поверхности удалите влажной салфеткой, а посуду промойте теплой водой.

Для дополнительного исследования можно разделить смесь на несколько емкостей и изменить состав. В одну добавить чуть больше воды, в другую — немного крахмала, а третью оставить без красителя. Сравните, какая масса быстрее растекается и какая сильнее сопротивляется удару. Результаты удобно записать в таблицу: количество воды, консистенция, реакция на медленное движение и реакция на резкое воздействие.

Объяснение

Обычная ньютоновская жидкость, например вода или растительное масло, сохраняет примерно одинаковую текучесть при разных скоростях перемешивания. Неньютоновские жидкости ведут себя сложнее: их сопротивление движению меняется в зависимости от приложенной силы и скорости деформации. Именно поэтому смесь крахмала с водой может в одной ситуации напоминать жидкость, а в другой — твердое тело.

Крахмал состоит из множества очень мелких твердых частиц. В сухом виде они свободно пересыпаются, а в воде распределяются по всему объему. Если двигать рукой медленно, частицы успевают перемещаться относительно друг друга, вода заполняет промежутки между ними, и смесь постепенно растекается. Сопротивление движению остается небольшим.

При резком ударе или быстром сжатии частицы не успевают разойтись. Они сближаются и временно образуют плотную структуру, которая мешает дальнейшему движению. Поэтому поверхность выдерживает короткий удар, а сжатая в руках масса кажется твердой. Когда сила исчезает, частицы снова получают возможность перемещаться, и смесь возвращается к текучему состоянию.

Такое поведение называют загущением при сдвиге. Оно отличается от свойств некоторых других неньютоновских жидкостей, которые, наоборот, становятся более текучими при перемешивании. Например, кетчуп часто легче выдавить после встряхивания, потому что его внутреннее сопротивление уменьшается под действием силы. Неньютоновские свойства встречаются в красках, косметических средствах, зубной пасте, буровых растворах и некоторых промышленных материалах.

Важно понимать, что домашняя смесь не превращается в настоящее твердое тело и не становится прочной навсегда. Ее твердость проявляется только во время быстрого воздействия. Если ударить слишком сильно, масса может разбрызгаться, поэтому лучше проводить эксперимент на подносе и защищать одежду. Не наносите смесь на лицо, не допускайте попадания в глаза и после работы вымойте руки.

Главный вывод опыта прост: свойства вещества зависят не только от его состава, но и от условий воздействия. Одна и та же смесь может течь при медленном движении и сопротивляться резкому удару. Именно поэтому опыт с неньютоновской жидкостью считается одним из самых зрелищных научных экспериментов, которые легко провести дома с помощью крахмала и воды.