Болото – неньютоновская жидкость
Множество трагических историй и ужасных легенд связано с болотами! Человек или животное, плавая, свободно держатся на поверхности воды, но никакое умение, никакие действия не помогут им выбраться из трясины. Почему так коварно болото?
Для начала скажем несколько слов о том, какая жидкость является ньютоновской, а какая – неньютоновской. Ньютоновская жидкость (названа так в честь И. Ньютона) – это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своем течении закону вязкого трения Ньютона. Для ньютоновской жидкости вязкость зависит от температуры и давления, а также от химического состава. Жидкость эта несжимаема! Например, вода – ньютоновская жидкость, ее свойства сохраняются вне зависимости от скорости перемешивания.
Неньютоновские жидкости – это жидкости сильно неоднородные, они состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Вязкость неньютоновских жидкостей изменяется в зависимости от скорости тока жидкости, к примеру перемешивание может оставлять «дыру» позади, которая со временем понемногу заполняется. Такое поведение вещества можно наблюдать, например, в пудингах, суспензии крахмала (1 часть воды + 1 часть крахмала), сыпучих песках, красках.
По некоторым признакам болото напоминает жидкость, по крайней мере, оно может течь и в нем можно утонуть. В то же время топь ведет себя, как твердое тело, – довольно тяжелые предметы, например камни, способны держаться на ее поверхности, несмотря на то что их плотность больше плотности вещества, составляющего болото. Кстати, его плотность заметно превышает плотность воды, а плотность человека и животных незначительно выше плотности воды, и поэтому если бы для болота выполнялся только закон Архимеда, то в нем невозможно было бы утонуть.
Все-таки болото можно считать жидкостью, но особой – вести себя как жидкость трясина начинает только тогда, когда нагрузки превышают некую предельную величину Т. Поэтому тяжелый камень не обязательно утонет в болоте, сначала он будет погружаться, но при этом будет возрастать выталкивающая сила и в какой-то момент может оказаться, что вес камня, скомпенсированный частично силой Архимеда, уже не создает нагрузки, бо́льшие Т, и возникает состояние недопогружения.
Такое же состояние возникает, когда человек совершает первый шаг по трясине. В обычной жидкости нога погружается до тех пор, пока вес всего тела не уравновесится выталкивающей силой (или не достигнет дна).
В болоте же происходит недопогружение – процесс погружения останавливается тогда, когда разница между весом тела и вытесненного вещества болота станет равной величине Т. Так болото обманывает человека, завлекая его дальше и дальше вглубь трясины.
Второй шаг тоже вызовет недопогружение, создавая иллюзию того, что все в порядке. Она рассеется при попытке вытащить ногу из трясины. Основная проблема в том, что под ногой начнет образовываться пустота (вакуум). Обычная жидкость, сразу же следуя за ногой, не позволяет возникать такой пустоте, но грязь болота – не обычная жидкость. В результате разреженное пространство под ногой создает дополнительную силу, направленную вниз (засасывает).
Вспомните, как при ходьбе по неглубокой обычной грязи постоянно хлюпает под ногами – это с шумом всасывается воздух в освобождающееся пространство под поднимающейся ступней. Чтобы преодолеть эту силу, другую ногу придется погрузить несколько глубже. Каждая следующая попытка освободить ногу или какую-то часть тела из трясины будет вызывать все большее погружение. Теперь вы понимаете, почему лучше обходить болото стороной. Если же все-таки вам придется по нему идти, обязательно имейте при себе прочный шест, которым можно проверить, насколько надежен путь в сомнительных местах, и на который можно опереться, чтобы преодолеть всасывающую силу болота.
Как уже упоминалось выше, аналогичная ситуация складывается и в том случае, когда погрузившаяся подводная лодка ложится на дно с глинистым грунтом. Выдавливая при этом из-под себя воду, лодка лишается возможности использовать архимедову силу для всплытия и таким образом «присасывается» ко дну. Давление толщи воды сверху способствует ее медленному погружению в глинистый грунт, засасывающее действие которой не позволяет подводному судну вырваться из «вязкого плена».
Первые модели неньютоновских жидких сред были предложены во второй половине ХIХ в. Джеймсом Клерком Максвеллом и Уильямом Томпсоном. В ХХ в. благодаря работам Бингама и Рейнера этот раздел механики сплошных сред стал самостоятельной наукой, которая носит название «реология» (от греческого слова «реос» – течение, поток). Объектами изучения реологии являются такие материалы, как краски, лаки, битум, почвы, горные породы и т. п.
Падающая кошка
Все знают, что, как кошку ни бросить, она все равно приземлится на лапы. На первый взгляд, это кажется удивительным. Если кошку бросили, с самого начала не придав ей вращения, а значит, и момента импульса, то каким же образом она поворачивается лапами вниз? Ведь для этого ей нужно, падая, какое-то время вращаться, то есть приобрести угловую скорость, хотя ее суммарный момент импульса должен быть все время равен нулю. Как же кошка ухитряется получить угловую скорость, не имея стартового момента импульса?
Все объясняется необычной гибкостью кошки. Предположим, что сначала кошка, оттопырив задние лапы, поджав передние и вытянув шею вперед, станет, скручивая тело, поворачивать переднюю часть туловища. Момент импульса у кошки, конечно, не появиться, как его не было изначально. Но поскольку масса ее задних ног отодвинута далеко от оси вращения, то очень маленькая угловая скорость задней половины тела кошки сообщит такой же момент импульса, что и бо́льшая угловая скорость его передней половины, так как масса передних лап придвинута близко к оси вращения. Направления этих вращений противоположны, и оба момента импульса взаимно уничтожаются, давая нулевой суммарный момент. Однако при этом передняя половина туловища кошки поворачивается в одном направлении гораздо сильнее, чем задняя половина – в противоположном.
