Chất lỏng phi Newton

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Cơ học môi trường liên tục
BernoullisLawDerivationDiagram.svg
Nguyên lý Bernoulli
Một hỗn hợp chất lỏng bột ngô
Chế tạo chất lỏng phi Newton

Chất lỏng phi Newton hay chính xác là Chất lưu phi Newton (tên tiếng Anh: Non-Newtonian fluid) là chất lỏng hay chất lưu có độ nhớt không tuân theo định luật Newton.

Đặc điểm[sửa | sửa mã nguồn]

Độ nhớt của các chất lỏng phi Newton như oobleck, kem đánh răng, cao su, silicon không phải là hằng số và có thể thay đổi theo nhiều cách khác nhau, dưới tác động của một hay nhiều yếu tố như lực, thời gian hay nhiệt độ. Khi độ nhớt thay đổi, loại chất lỏng này phản ứng hoàn toàn khác chất lỏng thông thường, có thể từ lỏng hóa rắn, từ rắn hóa lỏng hoặc dầy và xốp lên. Không phải loại hạt nào cũng có thể tạo được hỗn hợp phi Newton, chỉ có thể tạo ra thứ chất lỏng hóa rắn nhờ trộn đều chúng với các hạt có kích thước tối thiểu 1 micron hay 0,0001 cm.

Oobleck là một hỗn hợp nước và bột bắp khuấy đều. Bình thường, Oobleck ở trạng thái như thạch, nhưng khi chịu lực ép mạnh, hỗn hợp này sẽ quánh lại như chất rắn. Tên gọi “Oobleck” ra đời từ tác phẩm “Bartholomew và Oobleck” (1949) của Dr. Seuss, kể về một chất dính màu xanh lá có tính chất tương tự.

Thử dùng ngón tay ấn mạnh lên trên Oobleck, bề mặt tại đó sẽ rắn lại. Nhưng từ từ nhúng cả bàn tay vào Oobleck, bàn tay sẽ lún xuống dễ dàng. Nếu đột ngột rút tay ra khỏi Oobleck một lần nữa, nó lại hóa rắn và thậm chí bạn có thể rút ra cả khối Oobleck lên cùng lúc. Có thể dùng tay để bốc Oobleck lên, nhưng khi lỏng tay, nó sẽ tan chảy ngay.

Rắn lại khi chịu lực tác động và hóa lỏng khi lực không còn, đó cách khiến ta có thể chạy thật nhanh trên bề mặt Oobleck mà không bị chìm xuống. Với hỗn hợp Oobleck, “đi trên mặt nước” không còn là chuyện thần kỳ.

Bí mật của Oobleck

Vậy, điều gì khiến Oobleck có thể biến đổi từ rắn sang lỏng và ngược lại? Đó là do sự tương tác giữa các hạt thành phần và kích thước hạt.

Sự tương tác giữa các hạt: khi chịu tác động của lực, khoảng cách giữa các hạt bột bắp trong hỗn hợp thay đổi. Tại vị trí chịu lực, các hạt chụm lại, tạo thành cụm có hình dạng như tinh thể. Đây là nguyên nhân khiến Oobleck rắn lại.

Tác động một lực lên Oobleck, cũng tương tự như cách ta băng qua một đám đông. Các hạt trong chất lỏng giống như người đi đường. Nếu cứ cắm cúi đi thẳng một mạch, ta sẽ đâm sầm ngay vào ai đó và buộc phải dừng lại mà không đi được xa. Nhưng nếu bước từ từ, sẽ dễ tìm ra cách để len lỏi qua dòng người.

Kích thước hạt: không phải loại hạt nào cũng tạo được Oobleck. Kích thước hạt thích hợp để tạo hỗn hợp Oobleck từ 10-7 đến 10-4 cm.

Như vậy Oobleck là chất rắn? Hay chất lỏng?

Người ta định nghĩa, chất lỏng là những chất chảy được và có hình dạng của vật chứa nó. Còn chất rắn là chất có hình dạng xác định và có thể đàn hồi.

Hãy quan sát Oobleck: nếu bạn cuộn Oobleck trên tay, rõ ràng nó là một quả bóng rắn, nhưng chỉ cần đặt lên mặt phẳng, ngay lập tức Oobleck tan lỏng ra. Liệu có loại vật chất nào vừa rắn lại vừa lỏng?

Đáp án ở đây là hỗn hợp: bột bắp + nước = Oobleck.

Oobleck còn được biết chính là một “chất lỏng phi Newton”, nghĩa là chất lỏng có độ nhớt không tuân theo định luật Newton.

Chất lỏng phi Newton

Chất lỏng phi Newton không phải vật chất gì xa lạ, trái lại, rất gần gũi với chúng ta và dễ bắt gặp hàng ngày. Kem đánh răng, sơn, gel tạo kiểu tóc, cao su, một số loại plastic dẻo, silicone… chính là những chất lỏng phi Newton!

Hầu hết chất lỏng mà ta biết là chất lỏng Newton (nước, rượu,...) vì tuân theo định luật ma sát trong của Newton. Theo Newton, “độ nhớt” là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Ví dụ: quan sát hiện tượng gió thổi trên mặt nước. Gió tác động lên mặt nước một lực nhất định và làm bề mặt nước chuyển động với vật tốc v. Dưới tác động của độ nhớt (lực ma sát giữa các lớp của chất lỏng), lớp nước liền kề bên dưới sẽ bị kéo theo chuyển động của lớp nước phía trên. Trong chất lỏng Newton, độ nhớt là một hằng số đối với lực tác động, chỉ thay đổi nếu có thay đổi nhiệt độ. Ví dụ, nước đông đá khi lạnh và tan chảy khi nóng, nhưng nếu lắc chai đựng nước (dùng lực) thì độ nhớt của nước không đổi hay dòng nước vẫn tiếp tục chảy bình thường bất kể lực tác động lên nó. Trong khi đó, độ nhớt của chất lỏng phi Newton không phải là hằng số, có thể thay đổi theo nhiều cách khác nhau dưới tác động của một hay nhiều yếu tố: lực, thời gian, nhiệt độ... Khi độ nhớt thay đổi, loại chất lỏng này phản ứng hoàn toàn khác chất lỏng thông thường: lỏng hóa rắn, rắn hóa lỏng, dầy và xốp lên... VD: Oobleck rắn lại khi chịu lực. Có nhiều loại chất lỏng phi Newton khác nhau, nhưng đều có đặc điểm chung là hỗn hợp các hạt lơ lửng trong môi trường lỏng. Chất lỏng phi Newton thường gặp ở dạng nhũ tương (hỗp hợp hai chất lỏng không hòa tan được với nhau) như sốt mayonnaise là hỗn hợp trứng và dầu; hoặc dạng huyền phù (các hạt rắn trong một chất lỏng) như Oobleck.

Phân loại[sửa | sửa mã nguồn]

Có 2 nhóm chất lỏng phi Newton nổi bật:

Nhóm có độ nhớt tỷ lệ với cường độ áp lực Độ nhớt tỉ lệ nghịch với áp lực (Shear thinning fluid): chịu áp lực càng mạnh, độ nhớt càng giảm, hỗn hợp càng lỏng hơn. Khi không còn lực có thể hồi phục lại trạng thái ban đầu gần như ngay lập tức. VD: sốt cà chua, kem đánh răng, sơn, polymer… Độ nhớt tỉ lệ thuận với áp lực (Shear thickening fluid): chịu áp lực càng mạnh, độ nhớt càng tăng, chất lỏng càng rắn lại. Đó là trường hợp của Oobleck, caramel, protein tơ nhện. Nhóm có độ nhớt tỷ lệ theo thời gian Độ nhớt tỉ lệ nghịch với thời gian (Thixotropic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng giảm, càng lỏng hơn, và cần một khoảng thời gian tương tự để trở lại trạng thái ban đầu. VD: đất sét, bùn khoan, dầu nhớt, mật ong… Độ nhớt tỉ lệ thuận với thời gian (Rhepetic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng tăng, trở nên dầy hơn hoặc rắn lại. VD: kem trở nên bông, xốp và dầy hơn khi được đánh liên tục. Một số chất lỏng phi Newton khác như lòng trắng trứng thay đổi độ nhớt khi thay đổi nhiệt độ (trở nên rắn hơn khi bị đun nóng). Cát lún (hỗn hợp nước và cát) cũng là chất lỏng phi Newton, nên khi bị lún trong cát, nếu bạn vùng vẫy (tạo áp lực) sẽ khiến cát rắn lại và khó thoát ra hơn, cách tốt nhất là thư giãn, nằm ngang ra, trườn đi như một em bé. Và bạn có biết, bên trong chúng ta có một chất lỏng phi Newton đang chạy khắp cơ thể: đó là máu.

Trong số các chất lỏng phi Newton, Oobleck đặc biệt nhất vì có thể hóa rắn trong thời gian ngắn và khả năng chịu tải cao.

Oobleck[sửa | sửa mã nguồn]

Chất lỏng hóa rắn Oobleck là một loại chất lỏng phi Newton, và thực chất là hỗn hợp dung dịch giữa nước và bột ngô. Khi đổ đầy bột ngô vào một bể nhỏ chứa nước và khuấy đều, một người bất kỳ có thể chạy, thậm chí nhảy trên dung dịch oobleck tạo ra mà không bị chìm. Hỗn hợp này bình thường ở trạng thái như thạch, nhưng khi chịu lực ép mạnh sẽ quánh lại như chất rắn. Và khi không còn lực tác động, oobleck sẽ hóa lỏng, từ đó giúp con người có thể chạy, nhảy thật nhanh trên bề mặt nước oobleck mà không bị chìm, nhưng nếu dừng chậm lại (ngưng tác động lực), họ sẽ chìm xuống.

Oobleck có thể biến đổi từ rắn sang lỏng và ngược lại do sự tương tác giữa các hạt thành phần và kích thước hạt. Khi chịu tác động của lực, khoảng cách giữa các hạt bột ngô trong hỗn hợp thay đổi. Tại vị trí chịu lực, các hạt chụm lại, tạo thành cụm có hình dạng như tinh thể, giúp oobleck trở nên rắn hơn. Để tạo ra hỗn hợp oobleck giúp người có thể chạy trên mặt nước, chúng ta trộn đều một phần nước với 1,5 - 2 phần bột ngô.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  • Tropea, Cameron; Yarin, Alexander L.; Foss, John F. (2007). Springer handbook of experimental fluid mechanics. Springer. pp. 661, 676. ISBN 978-3-540-25141-5.
  • Garay, Paul N. (1996). Pump Application Desk Book (3rd ed.). Prentice Hall. p. 358. ISBN 978-0-88173-231-3.
  • Rao, M. A. (2007). Rheology of Fluid and Semisolid Foods: Principles and Applications (2nd ed.). Springer. p. 8. ISBN 978-0-387-70929-1.
  • Schramm, Laurier L. (2005). Emulsions, Foams, and Suspensions: Fundamentals and Applications. Wiley VCH. p. 173. ISBN 978-3-527-30743-2.
  • Chhabra, R.P. (2006). Bubbles, Drops, and Particles In Non-Newtonian Fluids. (2nd ed.). Hoboken: Taylor & Francis Ltd. pp. 9–10. ISBN 1420015389.
  • Barra, Giuseppina (2004). The Rheology of Caramel (Ph.D.). University of Nottingham.