Bạn có biết? (5): Chất lỏng phi Newton
Những ai từng cố gắng đổ sốt (tương) cà chua ra khỏi lọ đựng đều biết chúng chảy ra thế nào là một kết quả khó đoán trước. Chỉ trong nháy mắt, nước sốt đang trong trạng thái rắn bất động có thể ngay lập tức chuyển đổi và trở thành trạng thái lỏng bắn phụt ra ngoài. Vì thế, người ta xếp nó vào nhóm các vật chất bí ẩn: CHẤT LỎNG PHI NEWTON (Non-Newtonian fluid) để phân biệt với chất lỏng (chất lưu) Newton (Newtonian fluid) thông thường.
I. Chất lỏng phi Newton là gì? Phân biệt Chất lỏng Newton và Chất lỏng phi Newton
II. Phân loại Chất lỏng phi Newton
Có 2 phương pháp phân loại chất lỏng phi Newton nổi bật:
* Phương pháp phân loại về độ nhớt tỷ lệ với cường độ áp lực
- ĐỘ NHỚT TỈ LỆ NGHỊCH VỚI ÁP LỰC (Shear thinning fluid): chịu 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…
Một cú đạp nhanh và cực mạnh có thể khiến sốt cà chua đột ngột bị loãng đi khoảng 1000 lần so với trước đó
- ĐỘ NHỚT TỈ LỆ THUẬN VỚI ÁP LỰC (Shear thickening fluid/Dilatant): chịu lực càng mạnh, độ nhớt càng tăng, hỗn hợp càng rắn lại.
VD: Oobleck, caramel, protein tơ nhện.
Áo giáp cũng là một ứng dụng của trường hợp chất lỏng phi Newton này, khi đó, áo giáp cho phép người đeo linh hoạt trong phạm vi chuyển động bình thường, nhưng vẫn cung cấp độ cứng để chống lại các cuộc tấn công như đạn bắn. Tuy nhiên, chất lỏng phi Newton loại này (Dilatant) sẽ không cung cấp bất kỳ sự bảo vệ nào chống lại các đòn tấn công chậm (slow attacks), chẳng hạn như một cú đâm chậm nhưng mạnh, cho phép chất hóa lỏng trở lại và người mặc áo sẽ bị tấn công mà không được bảo vệ.
Ta sẽ tìm hiểu thêm về một ví dụ của dạng Chất lỏng này ở phần sau
* Phương pháp phân loại về 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: Sữa chua, đất sét, bùn khoan, dầu nhớt, mật ong, sốt cà chua...
Lắc nhẹ và chậm một lúc lâu có thể khiến sốt cà chua từ từ loãng ra và chảy ra ngoài
- ĐỘ NHỚT TỈ LỆ THUẬN VỚI THỜI GIAN (Rheopetic fluid): thời gian chịu lực càng lâu, độ nhớt càng tăng, trở nên dày hơn hoặc rắn lại.
VD: kem tươi (whipping cream) trở nên bông, xốp và dày 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 rán).
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.
III. Chất lỏng hóa rắn Oobleck
1) Giới thiệu:
CHẤT LỎNG HÓA RẮN OOBLECK là một ví dụ về chất lỏng phi Newton dễ làm mà bạn có thể tạo ra một cách đơn giản. Nó là hỗn hợp dung dịch của bột ngô (bột năng) và nước theo tỉ lệ khoảng 1,5 – 2 cốc bột ngô: 1 cốc nước
Tên gọi của chất này bắt nguồn từ quyển sách “Bartholomew and the Oobleck” dành cho thiếu nhi xuất bản năm 1949 của Dr. Seuss, viết về một ông vua cảm thấy buồn chán với thời tiết ở cung điện và ông ta muốn thứ gì đó hoàn toàn mới từ trên trời rơi xuống.
2) Hướng dẫn làm và sử dụng:
Các bạn có thể xem chi tiết cách làm và hướng dẫn sử dụng Oobleck tại đây hoặc trên Internet:
Thử dùng ngón tay ấn mạnh lên trên Oobleck (tác dụng lực), bề mặt tại đó sẽ rắn lại. Nhưng từ từ nhúng cả bàn tay vào Oobleck (tác dụng lực yếu hơn), hỗn hợp sẽ vẫn lỏng và bàn tay sẽ lún xuống dễ dàng. Nếu đột ngột rút tay ra khỏi Oobleck một lần nữa (tác dụng lực mạnh), 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 (không tác dụng lực), nó sẽ chảy ra ngay và hóa thành chất lỏng.
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 tác dụng 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. Với hỗn hợp Oobleck, “đi trên mặt nước” không còn là chuyện thần kỳ.
3) Lý giải:
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.
Cấu trúc hạt của oobleck khi bình thường (a) và khi chịu sức ép (b).
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.
IV. Các ví dụ về Chất lỏng phi Newton
‒ Dung dịch xà phòng, mỹ phẩm và kem đánh răng
‒ Thực phẩm như bơ, pho mát, mứt, sốt mayonnaise, súp, khoai tây chiên và sữa chua
‒ Các chất tự nhiên như magma, dung nham, gôm, mật ong và các chất chiết xuất như chiết xuất vani
‒ Chất lỏng sinh học như máu, nước bọt, tinh dịch, chất lỏng hoạt dịch
SƠN: Khi sơn hiện đại được sử dụng, lực tác dụng được tạo ra bởi cọ hoặc con lăn sẽ cho phép chúng mỏng và ướt đều bề mặt sơn (tường...). Sau khi được sơn, sơn sẽ lấy lại độ nhớt cao hơn, tránh nhỏ giọt và chảy xuống
Silly Putty
NHỰA CÂY chảy thành dòng nhưng cú đập mạnh bất ngờ có thể khiến nó bị tan vỡ như thủy tinh
CÁT LÚN (hỗn hợp nước và cát) cũng là chất lỏng phi Newton, nên khi bị lún trong cát, nếu bạn vùng vẫy (tác dụng 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.
Tham khảo tại
