Vast of vloeibaar?

Iets meer dan een jaar geleden schreven we onder de noemer “Over water lopen? Het kan!” al over het beroemde experiment waarbij je maïzena mengt met water. Er ontstaat dan een niet-newtoniaanse vloeistof: een vloeistof waarvan de viscositeit (‘stroperigheid’) afhangt van de snelheid waarmee het stroomt. In het geval van maïzena en water neemt de viscositeit toe bij toenemende stroomsnelheid; dit heet dilatantie of shear thickening. Bij andere materialen zal de viscositeit juist afnemen, denk aan ketchup of verf. Dit noemen we shear thinning. (Een correcte Nederlandse vertaling van deze term is mij overigens onbekend, heeft iemand een suggestie?)

Of je dergelijke niet-newtoniaanse materialen nu moet beschouwen als vloeibaar of vast hangt vooral af van de tijdsschaal waarop je kijkt en van de grootte van de krachten die erop worden uitgeoefend. Het bekende Silly Putty stroomt langzaam op een tijdsschaal van minuten als er maar kleine krachten op worden uitgeoefend en lijkt dan het meest op een vloeistof. Trek je echter even stevig aan een stukje Silly Putty, dan breekt het. Je kunt er natuurlijk ook een grote bal van maken en deze van hoog gebouw gooien (zie onderstaand filmpje). Dit laat zien dat Silly Putty bij het uitoefenen van grote krachten op korte tijdsschaal ineens het meest doet denken aan een vaste stof.

De overtreffende trap van Silly Putty is wat mij betreft pek, een verzamelnaam voor allerlei zeer visceuze ‘vloeistoffen’ zoals teer en bitumen. Pek is op het eerste gezicht een bros materiaal. Wanneer je er met een hamer op slaat, zal het in vele stukken opbreken zoals een vaste stof dat doet. Dit is op het plaatje hiernaast te zien.

Een beroemd experiment genaamd het pekdruppelexperiment (of Pitch Drop Experiment) aan de Universiteit van Queensland in Australië laat zien dat pek wel degelijk vloeibaar is. In 1927 heeft Professor Thomas Parnell verwarmde, vloeibare pek in een afgesloten trechter geschonken. Dit heeft hij rustig laten afkoelen. Drie jaar later is de trechter geopend en sindsdien valt er ongeveer eens in de tien jaar een druppel pek uit de trechter. Hiermee hebben ze kunnen uitrekenen dat de viscositeit van pek ongeveer 100 miljard (10¹¹) keer groter is dan die van water. Het experiment loopt nog steeds door en heeft daarmee niet alleen een plek in het Guinness Book of Records veroverd als langstlopende experiment, maar ook nog een Ig Nobelprijs opgeleverd.

Sinds 1927 zijn er acht druppels gevallen en de laatste druppel viel op 28 november 2000. Nog nooit heeft iemand echter de druppel daadwerkelijk zien vallen. Ook zijn er geen videobeelden van: door een technisch probleem is het niet gelukt om het vallen van de laatste druppel op te nemen. Aangezien de laatste druppel bijna tien jaar geleden is gevallen, valt het te verwachten dat het niet al te lang meer duurt voordat de volgende druppel valt. Voor degenen die hun geluk willen uittesten: er is ook live beeld (pas op, raar Windows Media Player linkje).

Hoewel pek ten onrechte als vaste stof wordt aangemerkt, wordt van glas juist vaak gedacht dat het vloeibaar is. Er wordt dan gezegd dat bij oude gebouwen te zien is dat het glas in de ramen aan de onderkant wat dikker is. Glas is echter, op enige observeerbare tijdschaal, niet vloeibaar. Wel was men vroeger niet zo goed in het maken van glas dat overal even dik was. Slim als men destijds was, werd gewoon de dikste (en zwaarste) kant van het glas onder geplaatst. Of, om een quote uit een artikel hierover te gebruiken:

(…) window glass will only flow appreciably at room temperature if one waits until the “Second Coming”!

Er wordt geschat dat de tijdsschaal waarop glas vloeibaar is, 10²³ tot 10³² jaar bedraagt. Ter vergelijk: de leeftijd van het universum bedraagt ongeveer 10¹⁰ jaar, dus voor alle praktische doeleinden is glas, in tegenstelling tot pek, écht een vaste stof.