См. также № 2, 4, 6/06

Где собака зарыта?

7. Что общего между чудом святого Януария и буровым раствором?

Речь пойдёт о вязкости жидких суспензий. Вернее, о том, как она изменяется.

Вязкость (или внутреннее трение) – свойство жидкостей, характеризующее сопротивление их течению. Бензин, вода и молоко – относительно жидкие, они текут лучше, чем мёд, кетчуп или сметана. Значение вязкости можно определить, измеряя горизонтальную силу F, которую необходимо приложить к пластинке площадью S, плавающей на тонком слое жидкости толщиной h, чтобы пластинка двигалась со скоростью .

В соответствии с формулой, предложенной ещё И.Ньютоном, где выражение, стоящее в числителе, называют напряжением сдвига, а cтоящее в знаменателе – скоростью сдвига. В системе СГС единицей вязкости является пуаз (0,1 Па • с). Ниже приведена таблица со значениями вязкости различных жидкостей в пуазах.

Ацетон................................................................0,003

Бензин................................................................0,006

Вода...................................................................0,01

Спирт..................................................................0,012

Ртуть...................................................................0,016

Молоко................................................................0,03

Машинное масло...................................................1–7

Глицерин..............................................................15

Мёд......................................................................100

Кетчуп...................................................................500

Горчица.................................................................700

Сметана.................................................................1000

Сургуч....................................................................100 000 000 000

Как правило, и особенно для органических веществ, вязкость растёт с возрастанием молекулярной массы. Вязкость также увеличивается, когда между частицами жидких суспензий или макромолекулами возникают связи, приводящие к возникновению пространственных структур. Поэтому вязкость таких жидкостей называют структурной, а её величина зависит от условий течения и, как правило, уменьшается с ростом скорости сдвига.

Именно зависимость вязкости краски от скорости сдвига помогает наносить её на стену. Как видно из графика, когда краску не перемешивают (скорость сдвига 0), её вязкость очень высока. Это значит, что при хранении краска практически не расслаивается на краситель и растворитель. Когда мы вынимаем кисть из банки с краской и делаем это достаточно медленно (скорость сдвига меньше 1 с^–1), то на кисти остаётся довольно много краски, т.к. вязкость её всё ещё высока. Коснувшись кистью с краской стены, мы начинаем интенсивно двигать ею из стороны в сторону (скорость сдвига 100...1000 с^–1), уменьшая этим вязкость краски в сотни раз. В результате краска становится жидкой и растекается тонким слоем по поверхности. Но сразу после того, как мы перестаём «дёргать» этот слой краски, и начинаем красить соседний участок, вязкость только что нанесённого слоя начинает увеличиваться. Если бы этого роста вязкости тонкого слоя краски на стене не происходило, то краска, как вода, стекала бы. Таким образом, зависимость вязкости краски от скорости сдвига является её важнейшей характеристикой, определяющей технологию покраски. То же относится и к косметическим кремам, изменение вязкости которых в широком диапазоне скоростей сдвига является показателем их качества.

Святой великомученик Януарий, небесный покровитель Неаполя, был казнён язычниками в начале IV в. С тех пор его запёкшаяся кровь хранится в специальном сосуде. Первые упоминания о сосуде с кровью святого Януария и связанном с этой реликвией чуде относятся к XIV в. Чудо святого Януария за редкими исключениями проявляет себя на протяжении 600 последних лет и представляет собой превращение на короткое время запёкшейся крови святого в багряную жидкость, происходящее таинственным образом на глазах у всех присутствующих. Три раза в год (в мае, сентябре и декабре) неаполитанцы стекаются в городской собор, чтобы стать свидетелями чуда. В атмосфере, близкой в истерии, архиепископ демонстрирует стеклянный сосуд с засохшей кровью святого Януария, потом начинает его встряхивать и наконец объявляет, стала ли кровь жидкой или осталась засохшей. Засохшей кровь святого оставалась считанные разы, что всегда рассматривалось как предзнаменование беды. К таким бедствиям относят, например, чуму 1527 г. (десятки тысяч умерших) и землетрясение в Южной Италии 1980 г. (3 тыс. жертв).

В ожидании чуда святого Януария

Если в сосуде действительно находится кровь святого Януария, то спонтанно перейти из твёрдого (запёкшегося) состояния в жидкое она не может. Не поможет этому и встряхивание. Есть, однако, целый класс веществ, вязкость которых уменьшается иногда в тысячи раз при встряхивании или перемешивании. Поэтому группа учёных из Итальянской ассоциации изучения паранормальных явлений утверждают, что в чаше ещё со Средневековья, по-видимому, содержится коллоидный раствор гидроксида железа FeO(OH), который внешне напоминает кровь, являясь тёмно-коричневым и почти твёрдым гелем. Стоит его потрясти – и он разжижается (www.inopressa.ru, 20.09.2005). Такие жидкие смеси называют тиксотропными.

Тиксотропия (от греч. [тиго], [тиксомэ] – касаться и – поворот, изменение) – способность гелей, паст и жидких суспензий уменьшать свою вязкость при перемешивании или встряхивании и возвращаться к первоначальной вязкости в состоянии покоя по окончании механического воздействия. Тиксотропное изменение структуры (цикл разжижение–загущение) является обратимым процессом, который может быть воспроизведён многократно. Далеко не все жидкости обладают тиксотропными свойствами. Как правило, таковыми являются желеобразные жидкости, состоящие из крупных и нитевидных молекул и поэтому имеющие очень большую вязкость.

Встряхивание уменьшает вязкость тиксотропной жидкости, т.к. оно разрывает межмолекулярные (водородные) связи между её молекулами или микрочастицами, давая возможность соседним слоям жидкости двигаться свободнее относительно друг друга. Классическим примером тиксотропной жидкости служит кетчуп. Каждый знает, что вылить кетчуп из бутылки гораздо легче, если перед этим бутылку несколько раз встряхнуть.

Буровые растворы должны быть тиксотропными. При бурении скважины породу, разрушенную долотом, необходимо поднять на поверхность. Для этого по колонне бурильных труб в скважину закачивают буровой раствор (промывочную жидкость, или буровой шлам), который подхватывает частицы породы и выносит их на поверхность. Более вязкий раствор вынесет на поверхность больше взвешенных в нем выбуренных частиц породы. Но для закачивания вязких жидкостей требуется большее давление, а это дополнительные износ и поломки бурового оборудования. Поэтому вязкость – важное свойство буровых растворов.

Сто лет назад буровые растворы представляли собой смесь глины и воды, и часто, чтобы приготовить буровой раствор, рабочие выпускали стадо коров в карьер, заполненный водой. Грязь, которая оставалась после стада, потом закачивали в буровую скважину. Сейчас инженеры больше не полагаются только на воду и глину. Вместо этого они тщательно разрабатывают составы и смеси, которые должны соответствовать определённым требованиям при различных условиях бурения. Современные буровые растворы – это «кровь» скважины, без которой современные глубокие скважины не могут существовать.

Циркуляция бурового раствора в скважине иногда прерывается. Это может произойти по ряду причин, в том числе и при плановом поднятии на поверхность колонны бурильных труб для замены долота. При отсутствии циркуляции раствора части породы, отслоившиеся от стенок в процессе бурения, могут оседать на дно скважины и создавать пробки, которые могут вызвать ряд серьёзных проблем. Существуют буровые растворы, технологические свойства которых предотвращают образование осадка выбуренной породы. При уменьшении скорости передвижения вязкость этих растворов увеличивается, они превращаются в гель, который способен удерживать частицы во взвешенном состоянии. Когда раствор вновь начинает двигаться, его плотность и вязкость значительно уменьшаются. Таким образом, буровые растворы, как краски и кремы, тоже должны быть тиксотропными.