از رفتارهای عجیب و غریب سیال های غیر نیوتونی لذت ببرید!

در یک تعریف عمومی، سیالات به مجموعه مایعات و گازها اطلاق می شود. اما در یک تعریف تخصصی تر سیال ماده ای است که تحت تنش برشی به صورت پیوسته تغییر شکل می دهد. میزان و نوع مقاومت در برابر حرکت با توجه به خاصیتی از سیال به نام لزجت (viscosity) تعیین می شود. لزجت نشانگر مقاومت سیال در برابر جاری شدن است و از این نظر می توان سیالات را به دو دسته نیوتونی و غیر نیوتونی تقسیم بندی کرد. در سیالات نیوتونی، رابطه تنش و نرخ کرنش به صورت خطی است. واقعیت آن است که تنها سیال های محدودی هستند که رفتار نیوتونی از خود نشان می دهند. آب و هوا، مهم ترین سیالاتی که ما با آن ها در ارتباط هستیم، در دسته سیالات نیوتونی جای دارند.

همان طور که در شکل مشخص است شیب نمودار سبز رنگ که معرف سیالات نیوتونی است، ثابت است این بدان معناست که ویسکوزیته که نسبت تنش برشی به نرخ کرنش است، عددی ثابت است. با ذکر یک مثال می توان مطلب را روشن تر کرد، اگر یک ظرف پر از آب داشته باشید و با یک همزن آن را هم بزنید، میزان مقاومت آب در برابر حرکت یکسان است. برای مثال تفاوتی ندارد که در یک ظرف پر از آب، همزن با چه سرعتی کار می کند، لزجت و مقاومت آب در برابر حرکت یکسان است.

رفتارهای عجیب و غریب سیال وقتی پدیدار می شود که سیال غیرنیوتونی باشد. این دسته از سیالات که ویسکوزیته آن ها بسته به زمان و میزان اعمال نیرو متفاوت است، بیشتر سیالات اطراف ما را شامل می شوند. مواد غذایی مانند خامه، عسل، مربا، سس کچاپ، ماست، سوپ یا مواد آرایشی بهداشتی مثل صابون مایع و یا سیالات بیولوژیکی مثل خون، بزاق، مایع بین مفضلی همه و همه در دسته سیالات غیر نیوتونی جای می گیرند. برای این سیالات، نمی توان ویسکوزیته را با استفاده از قانون لزجت نیوتون و تنها با یک عدد ثابت بیان کرد. مدل ریاضی حاکم بر سیالات غیرنیوتونی برای تبیین ویسکوزیته از معادله پیچیده تری تبعیت می کند.

گاهی ویسکوزیته تابعی از مدت زمان اعمال نیرو است. احتمالا به هنگام آشپزی در ترکیب مواد به چنین موردی برخورد کرده اید. وقتی برای مدت طولانی خامه را هم میزنید می بینید که رفته رفته سفت تر می شود و ویسکوزیته آن افزایش می یابد. دقیقاً عکس این حالت برای هم زدن عسل وجود دارد و مشاهده می کنیم که بعد از مدتی عسل روان تر شده و از غلظت آن کم می شود.

گاهی ویسکوزیته متأثر از مدت زمان اعمال نیرو نیست بلکه تابعی از مقدار نیروی وارد شده است. به هنگام خوردن پیتزا وقتی سس کچاپ از ظرف بیرون نمی ریزد محکم آن را تکان می دهید. در واقع با این کار با افزایش تنش برشی، ویسکوزیته کاهش می یابد و سس جاری می شود.

سوسپانسیون ها نیز نوعی دیگر از سیالات غیرنیوتونی هستند که رفتاری متفاوت از خود نشان می دهند. با ترکیب نشاسته ذرت و آب سیالی عجیب پدید می آید که اوبلک (Oobleck) نام دارد. اگر دست خود را به آرامی وارد این سیال کنید، می توانید وارد این سیال شوید اما اگر بخواهید با شدت و سرعت بالا دست خود را وارد سیال کنید، سیال رفتاری جامد گونه از خود نشان داده و گویی به یک دیوار جامد مشت میزنید! در واقع وقتی محکم به اوبلک مشت میزنید دانه های نشاسته به هم نیرو وارد می کنند و ستونی از ماده شبه جامد، جلوی دست شما ایجاد می شود و از ورود دست به سیال جلوگیری می کند. به محض از بین رفتن این ضربه دانه های نشاسته به جای خود برگشته و سیال به حالت مایع برمی گردد.

می توانید برای تفریح هم از این سیال استفاده کنید! با یک سرچ ساده در اینترنت، می توانید گروهی از دانشجویان را ببینید که مشغول درک رفتار این سیال نیوتونی با استفاده از یک بازی جذاب در حوضچه اوبلک هستند. برای عبور از این حوضچه باید خیلی سریع حرکت کنید. مانند پریدن از روی تخته سنگ های داخل رودخانه. در صورتی که به آرامی قدم بردارید در حوضچه فرو خواهید رفت!

صرف نظر از بعد سرگرمی، می توان از این ویژگی اوبلک به گونه ای هوشمندانه و برای تهیه جلیقه های ضد گلوله و یا لباس های حفاظتی استفاده کرد که برای این منظور باید به شناختی عمیق و دقیق از رفتار این ماده رسید.