Een profielwerkstuk over reologie

Vorige week kwamen er twee scholieren langs bij ons op het lab. Ze wilden voor hun profielwerkstuk de reologische eigenschappen van  mayonaise, ketchup en maïzena onderzoeken. Reologie is het vakgebied dat zich bezighoudt met hoe vloeistoffen stromen. Over de bijzondere reologische eigenschappen van maïzena hebben we al eens wat geschreven. Maïzena wordt meer stroperig wanneer het sneller stroomt. Zo kun je dus snel over een bak met maïzena lopen, maar zak je er in weg wanneer je te lang op één plek blijft staan. In de reologie wordt dat shear thickening genoemd. Bij pek en silly putty gebeurt hetzelfde, terwijl bij ketchup en mayonaise het tegenovergestelde gebeurt. Ketchup en mayonaise gaan juist steeds gemakkelijker bewegen wanneer ze sneller stromen. Dat heet shear thinning.

Lees verder Een profielwerkstuk over reologie

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.

Over water lopen? Het kan!

Er bestaan waterdiertjes – zoals de vijverloper – die letterlijk op water kunnen staan. Dit danken zij aan de oppervlaktespanning van water. Ons mensen lukt dat niet: daarvoor zijn we te zwaar. In de winter kun je, als het een tijdje stevig vriest, wél over water lopen of schaatsen. Maar dat is natuurlijk flauw, want ijs is geen vloeistof.

Wat wel kan is lopen over een mengsel van maïzena (maiszetmeel) en water. Dit mengsel is een niet-Newtoniaanse vloeistof. Dit betekent dat de stroperigheid (met een duur woord viscositeit) afhangt van de kracht die je op zo’n vloeistof uitoefent. Ook de snelheid waarmee je die kracht uitoefent, maakt uit. Er bestaan vloeistoffen waarbij de viscositeit toeneemt bij grotere krachten, maar ook waarbij die afneemt. Bij het mengsel van maïzena en water neemt de viscositeit enorm toe als je snel een grote kracht uitoefent. Sla je dus hard op zo’n mengsel, dan wordt het oppervlak hard en veert je hand terug. Je kunt er zelfs overheen lopen.

Wanneer, zoals bij maïzena, de viscositeit hoger wordt als je een kracht uitoefent, noemen we dit shear thickening. Gebeurt het omgekeerde en wordt de vloeistof minder stroperig, dan heet dat shear thinning. (Een correcte Nederlandse vertaling voor deze benamingen heb ik helaas niet kunnen vinden.)

Shear thinning wordt in de praktijk heel veel gebruikt. Neem bijvoorbeeld verf. Dat wil je gemakkelijk kunnen roeren en gemakkelijk op de muur kunnen aanbrengen. Maar als het eenmaal op de muur zit, mag het er niet vanaf druipen. Verf heeft dus, in stilstand, een hele hoge viscositeit. Ga je krachten uitoefenen, dan wordt het een stuk minder stroperig. Ook ketchup, mayonaise, haargel, tandpasta en bloed zijn voorbeelden van producten waarbij het erg prettig is dat ze deze eigenschap hebben.

Ook shear thickening kun je zelf ervaren. Niet alleen kun je maïzena met water mengen, er bestaat ook speelgoed in de vorm van Silly Putty. Dit stuitert als je het laat vallen en breekt als je er stevig aan trekt. Je kunt het echter ook in allerlei vormen kneden. Silly Putty kun je kopen, maar het is natuurlijk veel leuker om het zelf te maken!