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, бо?льшие 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.