Prapodivné kapaliny
9. 9. 2009
Michael nám připomene několik tekutin, jako jsou laky, asfalty, odpadníkaly nebo tělní tekutiny, pro které neplatí Newtonův zákon viskozity. Na speciální tekutině – vodní suspenzi škrobu – nám přiblíží, v čem spočívá jejich záhadné chování. A s využitím objevu dalšího Michaela – Faradaye a jeho stojatého vlnění - a také rychloběžné kamery, uvidíme, co s nenewtonskou tekutinou dokáže na membráně reproduktoru udělat patřičně upravený zvuk.
Filip: Sir Isaac Newton. Právě nedávno publikoval své nejvýznamnější dílo – Naturalis principia mathematica, v němž popsal také své tři všeobecné pohybové zákony. Ale Newtonova mysl se už zabývá novými problémy. Například pohybem tekutin.
Michael (Newton): Jak to, že voda prostě tak jednoduše obtéká mé nohy? A když je vytáhnu, její hladina se okamžitě vyrovná a po mých nohou nezůstane ani stopa.
Michael: Sir Isaac Newton došel k poznání, že proudění mnohých důležitých tekutin, jako je voda anebo vzduch, neovlivňuje vnější síla. Bez ohledu na to, jak rychle nebo silně tekutinu mícháme, teče stále stejně dál i bez deformací. Například když prudce mávnu rukou, za mou dlaní nevznikne ani na chvilku žádné vzduchoprázdno.
Michael (Newton): Anebo když svou nohu vytáhnu z potoka, nezůstane ve vodě po ní ani na chvilku díra.
Michael: Proto takové tekutiny dostaly pojmenování po Vás, dear Mr. Newton.
Tereza (paní Newtonová): Můj muž miluje hranolky – s kečupem. Drahý manželi, co to tady povídáte? Chcete mi snad namluvit, že podle nějakých vašich zákonů se chovají všechny tekutiny. Co tenhle kečup?
Michael (Newton): No jo, ukažte. Jak jsem to vlastně myslel s tím svým zákonem?
Michael: Mrs. Newton was of course correct: Not all fluids are Newtonian fluids. Some fluids, like ketchup, experience strange changes when a force is applied to them.
Paní Newtonová měla samozřejmě pravdu. Ne všechny tekutiny jsou newtonské. Některé, jako kečup, procházejí podivnou změnou, když na ně působíme silou.
Tereza: Pokud otočíme sklenici s vodou, což je newtonská tekutina, voda začne volně a stejnoměrně vytékat. Zatímco pokud otočíme sklenici s kečupem a očekáváte něco podobného, tak se nedočkáte. Kečup z láhve dostaneme z láhve pouze za použití hrubé síly.
Michael: Ketchup flows smoothly only when you apply a force to it. This makes it a non-newtonian fluid. But in the world around us are in fact many non-newtonian fluids.
Kečup teče plynule, jen pokud na něj působíte silou. To z něj dělá nenewtonskou tekutinu. Ale ve světě kolem nás je vlastně mnoho nenewtonských tekutin.
Tereza: Nacházíme se v Ústřední čistírně odpadních vod v Praze. A já bych se tě, Michaele, chtěla zeptat, co má tohle společného s tatarkou a kečupem.
Michael: Well, to this location comes about 96% of the whole of Prague’s waste water and faeces and urine. And the mixture of these makes of course acts and behaves like a non-newtonian fluid. But this non-newtonian fluid is a very special one. Because if we add to it the special bacteria, this bacteria are able to decompose this waste material into methane gas, which is taken away and burnt to produce electricity.
Sem přitéká asi 96 procent odpadních vod a výkalů s močí z celé Prahy. A směs těchto látek se chová samozřejmě jako nenewtonská tekutina. Jenže tahle je velice zvláštní. Když k ní totiž přidáme speciální bakterie, tyto bakterie rozloží odpadní látky na plyn metan, který se odebírá a spaluje a přitom se vyrábí elektřina.
Tereza: Takže z vašich výkalů je elektřina.
Michael: And also exist another types of non-newtonian fluid, that run and flow a lot less smoothly or even completely harden on impact of a force.
Existují také jiné typy nenewtonských kapalin, které tečou mnohem pomaleji nebo dokonce úplně ztvrdnou, když na ně působíme silou.
Tereza: Například škrob, rozmíchaný ve vodě. Pokud na tuto suspenzi nepůsobíte silou, zůstává tekutá. Když ovšem vyvinete sílu, jak vidíte, tuhne. Když sílu uvolním, proteče zpátky mezi prsty.
Michael: Tohoto jevu můžeme využít pro malý domácí pokus. Nebudeme ale používat síly našich rukou, ale neviditelnou sílu zvuku.
Tereza: Co budeme potřebovat? Generátor zvukového signálu, jeho zesilovač, reproduktor a naši oblíbenou suspenzi škrobu a vody… Tak a jedem.
Filip: Zpočátku jsme membránu reproduktoru chránili před škrobovou suspenzí plastovou fólií. Zjistili jsme, že malou porci suspenze uvede do pohybu už docela slabý zvuk.
Tereza: Důležité je, aby zvuk měl nízký kmitočet. Největší účinek na hrudku suspenze
měla frekvence mezi 20 a 80 hertzi.
Filip: Vlnění zcela slabého zvuku na hladině suspenze tvoří různě velké vlnky stojatého vlnění.
Tereza: Intenzivnější zvuk dokáže ze suspenze vytvořit nejrůznější útvary, které se silou zvuku pohybují všemi směry.
Filip: Nenewtonské tekutiny jsou všude kolem nás: je to majonéza, hořčice, tekuté mýdlo, roztavená čokoláda, ale také ropa, asfalty, laky a dokonce i naše tělní tekutiny.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough