IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СОЗДАНИЕ БРОНЕЖИЛЕТА НА ОСНОВЕ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ
Хаджаев Р.Р., Капашев Р.Р.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


ВВЕДЕНИЕ

Жидкость в окружающем нас мире встречается повсеместно. Свойства жидкостей знакомы каждому и любой человек, взаимодействующий с ними, в той или иной степени может предугадать, как поведет себя какая-либо жидкость в конкретной ситуации. Еще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее нежели, если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее.

Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать в ежедневном использовании, подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими. Но есть жидкости, которые закону Ньютона не подчиняются. Они носят названия неньютоновские. В различных ситуациях может вести себя и как жидкость и как твёрдое тело.

Данные жидкости находят всё новое применение в мире. В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало разработку бронежилетов для военных. По их словам, данные бронежилеты по своим характеристикам даже лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Но возможно ли это?

Актуальность: защита человеческого тела от различного оружия является актуальной задачей на протяжении многих веков. Одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости.

Объект исследования: неньютоновская жидкость

Предмет исследования: останавливающие свойства неньютовноской жидкости

Цель данной работы: выявить возможно ли на основе неньютоновской жидкости изготовить бронежилет.

Задачи: 1) Определить свойства неньютоновской жидкости.

2) Провести практический эксперимент

3) На основе результатов опыта сделать вывод о достоверности нашей гипотезы.

Методы исследования:

- Изучение теоретических материалов

- Проведение эксперимента

- Анализ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИПОТЕЗЫ 1.1. Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Вот как вы себе представляете жидкость? Какими свойствами она должна обладать? В первую очередь, наверное, она должна литься, растекаться и так далее, а уж никак не выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение, но в не все в нашем мире так просто, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно - Неньютоновские жидкости

Ньютоновская жидкость – это жидкость, при течении которой её вязкость не зависит от направления наибольшего возрастания вектора скорости [4]. Звучит довольно сложно, но будет более понятно, если сказать, что ньютоновская жидкость – это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние, что бы вы с ними не делали (если речь не идет об испарении или замораживании, конечно).

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от направления наибольшего возрастания вектора скорости.[4] Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. К ним можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.

Все неньютоновские жидкости делятся на два вида – дилатантные и псевдопластичные.

Псевдопластичными неньютоновскими жидкостями называют жидкости, вязкость которых уменьшается при увеличении напряжений сдвига, т. е. при быстром воздействии их вязкость уменьшается. Мы в повседневной жизни достаточно часто сталкиваемся с таким видом жидкостей. К ним относятся краски и лак для ногтей, кровь, а также кетчуп. К примеру, если пластиковую бутылку с кетчупом сжать, то у содержимого бутылки изменяется вязкость, и вещество, бывшее до того густым как мёд, начинает вытекать почти как вода. Это свойство позволяет кетчупу, с одной стороны, легко вытекать из тары, а с другой стороны, сохранять свою форму на тарелке [5].

Дилантатные неньютоновские жидкости – это жидкости, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Примером таких жидкостей может являться смесь кукурузного крахмала и воды [4]. При быстром воздействии на такую жидкость она начинает вести себя парадоксальным образом, а именно проявляет свойства твёрдого тела, при этом, чем быстрее воздействие, тем ярче проявляются эти свойства. Это объясняется тем, что межмолекулярные связи дилантантных неньютоновских жидкостей подобны «пружинам», которые мгновенно реагируют на резкие и быстрые воздействия, в результате чего жидкость в прямом смысле становится твёрдой.

Рис 1. Модель молекулярного строения дилантантных неньютоновских жидкостей

На медленные воздействия данные жидкости не реагируют, так как при этом межмолекулярные связи жидкостей разрушаются. Поэтому, как только скорость воздействия существенно снижается или же воздействие полностью прекращается, то жидкость возвращается в исходное состояние.

1.2. Применение неньютоновских жидкостей

При исследовании неньютоновских жидкостей в первую очередь изучают их вязкость, знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают и в медицине, и в технике, и в кулинарии, и в производстве косметики. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. Спектр применения неньютоновских жидкостей достаточно широк. Но в данной работе я хочу изучить вопрос использования неньютоновской жидкости в качестве защитного элемента для пуленепробиваемого жилета.

1.3. Неньютоновская жидкость в качестве брони

Защита человеческого тела от различного оружия является актуальной задачей на протяжении многих веков. В античные времена воины зачастую использовали одни щиты, в средневековье большое распространение получили тяжелые доспехи, вес которых часто составлял 30-50 кг. Позднее, когда огнестрельное оружие получило широкое применение, доспехи стремительно начали терять свою актуальность, однако дали путевку в жизнь современным бронежилетам, которые состоят из пластин, способных погасить энергию пули и парировать удар холодным оружием. При этом прогресс не стоит на месте, и бронежилеты постоянно совершенствуются. Они становятся все более прочными, теряя при этом вес и становясь все более комфортными для ношения.

Одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости. Таким образом, на смену кевлару может прийти жидкость. Работу в этом направлении сегодня ведут польские ученые из Института технологий безопасности Moratex. Они решили найти военное применение давно известному веществу — неньютоновской жидкости, вязкость которой при течении зависит от градиента скорости. Жидкая броня от польских специалистов получила обозначение STF — Shear-Thickening Fluid. Она в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную волну по большой площади [1].

Современные кевларовые бронежилеты в состоянии хорошо удерживать пулю, но при этом при попадании в них они прогибаются на глубину до четырех сантиметров, что, конечно же, лучше, чем пулевое ранение, но так человек может получить серьезную травму в виде сильного ушиба или перелома. В то же время, благодаря особым свойствам неньютоновской жидкости и тщательно рассчитанной конструкции вставок деформация бронежилета с использованием данного материала уменьшается до вполне безопасного для человека одного сантиметра, устраняя при этом опасную для жизни угрозу на все 100%. Помимо этого, неньютоновская жидкость в состоянии при ударе распределить энергию равномерно по всей площади бронежилета [2].

Пока что польские ученые не торопятся раскрывать точный состав своей жидкости, которая применяется в их бронежилете, но при этом они уверяют, что такой бронежилет в состоянии остановить пулю, которая летит со скоростью до 450 м/с. То есть речь пока идет о пистолетных пулях. К примеру, начальная скорость пули широко распространенного ПМ составляет 315 м/с, а пистолета ТТ — 424-455 м/с. В то же время начальная скорость пули не менее распространенного автомата АК-74М составляет 900 м/с. По словам польских специалистов, использование неньютоновской жидкости практически исключает вероятность рикошета из-за гораздо более эффективного рассеивания энергии удара. Это же означает, что носитель такого бронежилета почувствует при попадании в него пули меньшее воздействие. При ударе на высокой скорости поражаемый участок STF затвердевает мгновенно, эффективно рассеивая ударную энергию и защищая внутренние человеческие органы [3].

При этом «жидкая» броня обещает быть достаточно легкой, а бронежилет из нее достаточно удобным, не мешающим человеку выполнять свою работу, не причиняя при этом неудобств при носке, он не будут сковывать движений. По словам польских разработчиков, их бронежилет будет весить легче изделий из кевлара. Судить об этом пока довольно сложно, в широком доступе имеется лишь небольшое видео, которое было опубликовано на YouTube.

Стоит отметить, что подобные разработки в разное время велись в Великобритании и США. Но созданные в этих странах жидкости были наиболее прочными в сочетании с защитой из кевлара, что делало создаваемые жилеты очень тяжелыми. Однако в Moratex утверждают, что разработанное ими вещество может применяться для производства бронежилетов, которые потребуют минимального количества вставок из дополнительных материалов. Польские ученые не намерены останавливаться лишь на военной стороне своей разработки. Помимо этого, они работают над магнитореологической жидкостью, которая сможет менять свою вязкость под воздействием магнитного поля. По их словам, обе этих жидкости можно будет использовать не только при производстве бронежилетов, но и для производства автомобильных бамперов, профессионального спортивного снаряжения и защитных дорожных ограждений .

2. ПРОВЕДЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования использовались два вида неньютоновских жидкостей. Первый опытный образец был получен с использованием смесь тетрабоната калия и клея ПВА без примесей. При изготовлении второго образца применялась смесь тетрабоната калия и клея ПВА, а также эпоксидной смолы в качестве загустителя.

В ходе эксперимента устанавливалась способность данных растворов неньютоновских жидкостей выдерживать выстрел из пневматического оружия.

За неимением огнестрельного оружия было решено воспользоваться пневматической винтовкой «Hutsun striker». Характеристики используемого оружия приведены ниже:

  • калибр – 4,5 мм

  • начальная скорость пули – 305 м/с

  • масса пули – 0,512 грамм

Выбор данного вида оружия обусловлен двумя причинами, а именно неимением возможности применения огнестрельного оружия, а также свойством неньютоновской жидкости к сопротивлению в зависимости от скорости воздействия. Тем самым, мы полагаем, что если образец может остановить выстрел из пневматического оружия, то его можно рассматривать для дальнейших экспериментов с огнестрельным оружием, так как скорость воздействия последнего гораздо выше, чем у пневматического оружия.

Одной из важнейших характеристик, которую необходимо было учесть во время опыта – это пробивная способность пули. Она зависит от удельной энергии пули, то есть от кинетической энергии пули, приходящейся на единицу площади поперечного сечения пули. Это площадь сечения пули поперёк линии полёта, то есть площадь круга диаметром в калибр [6].

Теоретические расчёты кинетическая энергия пули и давление, оказываемое пулей на образец. Энергия, передаваемая пулей, рассчитывалась как отношение кинетической энергии пули, к площади поперечного сечения ее ведущей части [6]:

,

где EК– кинетическая энергия пули, определяемая по формуле:

,

где m – масса пули, v – начальная скорость пули, а S – площадь сечения ведущей части пули:

,

где R - радиус ведущей части пули. В нашем случае он равен 2,25 мм.

Нетрудно было подсчитать, что кинетическая энергия пули применяемая в опыте равна 23 Дж, площадь сечения ведущей части пули – 0,16 см2, а удельная кинетическая энергия равна 143,75 Дж, что является достаточно близко к огнестрельному оружию, типа пистолета Макарова (ПМ), так как значение энергии, а следовательно пробивной способности будут практически одинаковы [6].

Давление, которое оказывалось пулей на образец, рассчитывалось формуле:

,

где F – сила, с которой пуля действует на образец, S – площадь сечения ведущей части пули. Значение силы находилось из соотношения:

,

где s – расстояние, с которого производился выстрел. В нашем случае это расстояние составляет примерно 50 см. Расчёты показали, что пуля воздействует на образец силой 46 Н и оказывает давление равное 2,875 МПа.

В первой серии опытов была использована неньютоновская жидкость первого образца (смесь тетрабоната калия и клея ПВА без примесей). Толщина образца составляла от 7 до 10 см. Индикатором пробития являлся картонный экран толщиной 3 мм. С поставленной задачей образец справился, обе пули не смогли пробить образец, тем самым было установлено, что неньютоновская жидкость, изготовленная на основе смеси тетрабоната калия и клея ПВА, подходит в качестве останавливающего элемента. Однако останавливающий элемент такой толщины сделает предполагаемый бронежилет весьма тяжёлым.

Во второй серии опытов проверялась останавливающая способность второго образца неньютоновской жидкости (смесь тетрабоната калия и клея ПВА, а также эпоксидной смолы в качестве загустителя). Толщина образца варьировалась от 5 до 7 см. В результате опыта было установлено, что образцы толщиной не менее 6 см справились с поставленной задачей – экран не был пробит.

Таким образом, результаты опыта показали, что образцы данной толщины смогли остановить движение пули.

Рис 2. Результат опыта с использованием неньютоновской жидкости на основе тетрабоната калия и клея ПВА, а также эпоксидной смолы в качестве загустителя толщиной 6 см

Исследования образца непосредственно после опыта показало, что пуля застряла на расстоянии примерно равном 6 см от края образца.

Рис 3. Исследование образца непосредственно после опыта

В результате опыта было установлено, что неньютоновская жидкость, изготовленная на основе тетрабоната калия и клея ПВА с добавлением эпоксидной смолы, толщиной от 5 см способна остановить выстрел из пневматического оружия, что свидетельствует о его возможном использовании в качестве защитного средства при изготовлении пуленепробиваемого бронежилета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого исследования было установлено, что неньютоновская жидкости, изготовленная на основе тетрабоната калия и клея ПВА могут справиться с поставленной задачей. Оба образца оказались способными остановить патрон, выпущенный из пневматического оружия. Теоретические расчёты говорят о том, что также успешно данный вид неньютоновской жидкости может справиться и в случае использования огнестрельного оружия. Проведение испытаний с реальным огнестрельным оружием планируется в ближайшее время.

Однако, останавливающие свойства неньютоновской жидкости, изготовленная на основе тетрабоната калия и клея ПВА и толщина защитного элемента зависят от наличия примесей в её составе. Поэтому делать какие-либо выводы до получения результатов эксперимента с использованием реального огнестрельного рано. Также планируется проведению работ, по улучшению состава самого защитного элемента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дилантатные жидкости [Электронный ресурс] // Википедия: электронная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Крахмал

2. Псевдопластичность [Электронный ресурс] // Википедия: электронная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тетраборат_калия

3. Сайт «Hi-news. Новости высоких технологий», статья «Поляки испытали пуленепробиваемую жидкость для бронежилетов». Режим доступа: http://hi-news.ru/technology/polyaki-ispytali-puleneprobivaemuyu-zhidkost-dlya-bronezhiletov.html

4. Сайт «News.com Технологии», статья «Польские ученые создали неньютоновскую жидкость, которая может заменить кевлар в бронежилетах». Режим доступа: http://hitech.newsru.com/article/17apr2015/liquid

5. Сайт «Популярная механика», статья «Неньютоновская броня: на смену кевлару приходит жидкость». Режим доступа: http://www.popmech.ru/technologies/57836-nenyutonovskaya-bronya-na-smenu-kevlaru-prikhodit-zhidkost/

6. Сравнение пневматических винтовок, мелкокалиберного и гладкоствольного огнестрельного видов оружия [Электронный ресурс] // Отшельники - жизнь в глуши: сайт. — URL: http://www.otchelniki.ru/Pnevmatika_sravnenie.html