Физика взбитых сливок. Течет не течет

2008-05-16 13:30:00

Проведенный на орбите эксперимент пролил свет на довольно сложные процессы, то и дело происходящие в нашей обыденной земной жизни – течение крови, кетчупа, моторного масла и взбитых сливок. Для этого ученым пришлось восстановить данные с компьютеров разбившегося шаттла Columbia.

Для начала давайте проведем небольшой опыт. Для этого вам понадобится баллончик со взбитыми сливками: выдавите побольше на ложку и тщательно наблюдайте. Если вы были достаточно внимательны, то заметили, что сливки вытекают из баллона подобно жидкости, а через какое-то время, попав на ложку, выглядят почти твердыми. Что же с ними произошло? Задумаемся над этим, отправив сливки в рот – во имя науки.

Это происходит из-за изменения вязкости сливочной пены. Когда часть вещества (в данном случае пены) сдвигается относительно остальной его массы, вязкость его снижается (пена «истончается»), и оно становится более текучим – до тех пор, пока движение не прекратится. Подобное явление – разжижение при сдвиге – наблюдается во многих веществах, и в случае с моторным маслом или кровью имеет намного большее значение, чем в нашем бытовом эксперименте. К примеру, оно повышает износ автомобильных двигателей и в моторном масле нежелательно. А вот с кетчупом все наоборот: оно позволяет любимому соусу стечь из бутылки, но остаться "горкой" поверх блюда.

Несмотря на всю обыденность, внутренние механизмы этого процесса до сих пор до конца не ясны. Детали его обусловлены межмолекулярными взаимодействиями в жидкости, а взаимодействия эти могут быть очень и очень сложными. И даже для самых простых жидкостей подтвердить существующие теории на практике не удавалось. До недавнего времени: соответствующий эксперимент был поставлен на орбите.

Проект под названием «Критическая вязкость ксенона-2» (CVX-2) прошел на шаттле Columbia, который погиб в 2003 г. из-за разрушения теплоизолирующего слоя при входе в атмосферу. По счастью, жесткие диски бортовых компьютеров обнаружились среди его обломков – и они оказались достаточно целыми, чтобы ученым, с трудом, но удалось восстановить сохраненную на них информацию.

Суть эксперимента CVX-2 состояла в изучении изменения вязкости ксенона – инертного газа, который широко используется в промышленности. В отличие от большинства других газов, газообразный ксенон состоит из одноатомных частиц, и тем самым ближе по характеристикам к «идеальному газу», который рассматривает классическая термодинамика. Так что, в отличие от тех же сливок, состоящих из сложной смеси больших органических молекул, исследовать ксенон намного проще.

Правда, в нормальных условиях у таких «простых» веществ изменения вязкости не наблюдается. Но все меняется в области критической точки – особой комбинации условий температуры и давления, при которой вещество проявляет одновременно свойства жидкости и газа. В этой точке ксенон напоминает плотный туман, смесь микрообластей с чуть более высокой или низкой плотностью. Эти области постоянно образуются и распадаются наподобие бурлящей пены, создавая в чистом и «простом» ксеноне структурные условия, схожие со сложными жидкостями – такими, как, скажем, наша кровь.

На Земле под влиянием собственного веса ксенон, находящийся в критической точке, сжимался бы: внизу он был бы плотнее, чем ближе к поверхности. Все это привело к тому, что опыт с ним можно было поставить только в условиях микрогравитации, то есть на орбите. В специальном тестовом контейнере удалось создать условия, при которых ксенон находился в условиях, близких к критической точке, и затем осторожно перемешивать его с помощью миниатюрной лопатки. Замеряя то, насколько «сопротивлялась» жидкость движениям лопатки, ученые получали данные о его вязкости.

Полученные данные впервые подтвердили на практике некоторые моменты существующих теорий, которые объясняют процесс изменения вязкости при течении. Зачем это нужно? Например, для того, чтобы в дальнейшем создавать более качественные автомобильные масла. Ну, а удастся ли улучшить взбитые сливки – науке пока неизвестно.

Между прочим, вязкие свойства жидкостей меняются и тогда, когда они текут по «нанотрубам», что, как известно, не за горами. Читайте о том, когда вода перестает быть водой: «Нановоды».

Популярная механика