Je leest:

Go with the flow? – Niet-Newtonse vloeistoffen

Go with the flow? – Niet-Newtonse vloeistoffen

Auteur: | 21 januari 2004

Stromende vloeistoffen kunnen zich eigenaardig gedragen. Vooral als ze zich niet aan de wetten van Newton houden treden spectaculaire effecten op.

Reologie, de leer van de beweging van vloeistoffen, kent twee duidelijk onderscheiden gebieden. In het ene gebied is Sir Isaac Newton de baas, de grondlegger van de ‘klassieke’ natuurkunde. In het andere gebied klopt er niets meer van zijn formules vanwege de bijzondere interactie tussen de vloeistofdeeltjes.

Sir Isaac Newton (1643-1727)

Newton formuleerde in de tweede helft van de zeventiende eeuw de beginselen van de bewegingsleer. Bij zijn beschrijving van vloeistoffen geldt een lineair verband tussen de weerstand tegen vervorming (stroming) en de kracht waarmee die vervorming wordt opgelegd. Om meer stroming te bereiken moet je dus harder roeren.

Bij dunne vloeistoffen zoals water is het trouwens nog relatief makkelijk roeren: de viscositeit is laag. In een bord met dikke pap gaat roeren veel lastiger: de viscositeit is hoog. Viscositeit, ook wel dikvloeibaarheid genoemd, is als het ware een maat voor de interne samenhang van een vloeistof. Hoe hoger de viscositeit (of: hoe visceuzer) hoe meer de vloeistofdeeltjes samenhangen en hoe meer weerstand de vloeistof biedt tegen stroming of vervorming. Een viscosimeter brengt de relatie tussen die weerstand en de uitgeoefende kracht aan het licht. En voila: bij Newtonse vloeistoffen is dit (althans bij constante temperatuur) een rechte lijn.

Thixotropie

Zogauw de viscosimeter iets anders dan deze rechte lijn laat zien bevinden we ons in het andere, meer spectaculaire domein van de reologie; dat van de niet-Newtoniaanse vloeistoffen. Hier neemt de relatie tussen de roerkracht en de beweging opmerkelijke vormen aan. Wat bijvoorbeeld te denken van een vloeistof die dunner wordt naarmate je meer kracht uitoefent? Thixotropie heet dat verschijnsel en het is minder ver van je bed dan je zou denken.

Thixotrope eigenschappen maken latex makkelijk verwerkbaar.

Gewone latex muurverf bijvoorbeeld heeft thixotrope eigenschappen. In de verfemmer ziet latex er dik uit en is het best lastig roeren. Maar met een roller kun je het op de muur tot een heel dun laagje uitstrijken. De kracht bij het aanbrengen van de verf zorgt er voor dat de latex goed vloeibaar wordt. En is de roller verdwenen, dan wordt de latex weer dik. Maar goed ook, anders zou het van de muur afdruipen.

Bloed heeft ook thixotrope eigenschappen. Als bloed overal in het lichaam even dik zou zijn, dan kon het nauwelijks door de nauwe haarvaten van de longen en andere organen stromen. Gelukkig heeft het de eigenschap dat het zich verdunt als de ‘afschuiving’ (de door de vaatwand op het bloed uitgeoefende kracht) groter wordt.

Dilatant

Een totaal ander gedrag vertonen de dilatante vloeistoffen. Ook daarvan vinden we een voorbeeld dicht bij huis: het maizena-papje dat gebruikt wordt om sauzen te verdikken en de kaasfondue te binden. Wie goed oplet zal het niet ontgaan: hoe harder je in het papje roert, hoe dikker het wordt!

Nog nooit achter het fornuis gestaan? Niet erg, het recept is simpel: schep een paar eetlepels maizena in een bakje en giet er langzaam water bij. Goed roeren; vooral als het mengsel ‘tegenwerkt’ moet je er niet te snel water bij doen. Zorg dat het een goed gemengd geheel wordt dat bij ‘normaal’ roeren de stroperigheid van honing heeft. En dat is het tijd voor het experiment: verhoog de roersnelheid en kijk wat er gebeurt. Probeer ook eens met de bolle kant van de lepel op het oppervlak van het mengsel te slaan. Spat het? (Doe voor de zekerheid toch maar niet je nette kleren aan…)

Wie het aandurft het experiment wat op te schalen kan ook andere merkwaardige effecten waarnemen: een lepel die in een dikke maizena-oplossing staat kun je er niet uittrekken door snel te rukken, maar langzaam gaat het wel. En als je een bal in een teil met maizena-pap legt dan zie je hem langzaam ondergaan. Maar gooi je de bal er bovenop, dan stuitert hij gewoon weer terug! In Amerika staat het voor educatieve en recreatieve doeleinden vervaardigde maizena-water mengsel – al dan niet met een kleurtje – bekend onder fantasienamen als Oobleck en Glop. Zoek maar eens met Google en verbaas je over de lol die je er aan kunt beleven!

Experimenteren met maizena is fun! Beeld: Rice University, Houston, TX/USA

Jammer voor Newton dat hij die lol heeft moeten missen. Hoe komt het nou dat het maïzenapapje zich niet volgens zijn oude natuurkundewetten gedraagt? Dat heeft te maken met het feit dat maizena geen oplossing is, maar een suspensie van vaste zetmeeldeeltjes in water. Zolang er veel water tussen de zetmeeldeeltjes zit, kunnen ze gemakkelijk langs elkaar bewegen. Het dilatante gedrag wordt duidelijk als er maar een klein beetje water aanwezig is. Het ‘smeert’ dan net voldoende om de deeltjes langs elkaar te laten bewegen. Maar als er druk wordt uitgeoefend, door een lepel bij hard roeren, of door de klap van een bal op het oppervlak, dan wordt het water tussen de deeltjes uitgeperst. Op die plaatsen verstart het maizenapapje en gedraagt het zich als een vaste stof.

Een vergelijkbaar effect zie je bij een strandwandeling aan de vloedlijn: daar waar je voeten het natte zand samendrukken is het zand droger omdat je het water er uitgedrukt hebt.

Stromingseigenschappen van vloeistoffen spelen op veel gebieden een grote rol. Een kleine selectie: Pompfabrikanten bijvoorbeeld moeten in het ontwerp van hun apparaten rekening houden met de reactie van de vloeistof op de pompkracht. Vooral bij sterk dilatante vloeistoffen is verpompen verre van eenvoudig.

De verf- en drukindustrie is ook tot in de details bekend met viscoteitsvraagstukken. Wie bijvoorbeeld met hoge snelheid wil zeefdrukken moet precies weten wat er met de inkt gebeurt als die op het papier wordt gestreken.

Amerikaanse onderzoekers bekijken of in de aardkorst aanwezige dilatatante vloeistoffen een dempend of stabiliserend effect hebben bij aardbevingen. Hoe meer de aarde beweegt, hoe groter immers hun weerstand.

In de metaalindustrie is een proces ontwikkeld dat thixocasting heet: het wordt onder andere door de Aluminium Gieterij Oldenzaal toegepast om bij relatief lage temperaturen onderdelen van hoogwaardig aluminium te kunnen vervaardigen.

En last but not least worden de spectaculaire eigenschappen van niet-Newtonse vloeistoffen met enige regelmaat gebruikt om argeloze omstanders voor het lapje te houden. In een ander kennislink-artikel wordt uit de doeken gedaan hoe het ‘bloed’ van de heilige San Gennaro (St. Januarius) in een Napolitaanse reliekhouder vloeibaar kan worden

Het vloeibaar worden van het gestolde bloed van San Gennaro wordt hier getoond door de reliekhouder schuin te houden.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 januari 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.