XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Неньютоновская жидкость
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды я смотрела научную программу, в которой рассказывалось про зыбучие пески. Подобные пески могут засасывать в себя все, что в них попадает (см. Приложение 1, 2, 3, 4). От такого песка тяжело освободиться, даже если увязнуть в нем всего по лодыжки. Если на такой песок воздействовать быстро, резко и сильно – он проявляет свойства, схожие со свойствами твердых тел, при медленном воздействии на них – свойства, приближенные к жидкостям. Другими словами, чем быстрее вы будите стараться освободиться, тем сильнее песок вас будет удерживать в своих крепких объятиях. Поэтому, оказавшись в зыбучем песке, следует попробовать лечь на спину и развести руки в стороны. Выбираться стараться нужно медленно и плавно, не делая резких движений. Ведущий назвал такие пески неньютоновской жидкостью. Меня это заинтересовало, и я решила разобраться, что же это такое – «неньютоновская жидкость»? Почему она так называется? И чем она отличается от простой жидкости. Позже в школе,
я поинтересовалась у своих одноклассников, слышали ли они и знают ли, что это за жидкость. Выяснилось, что почти никто из них не знает, что это такое.
И чтобы ответить на эти вопросы мне пришлось заглянуть в различные энциклопедии и Интернет. Так и возникла тема моего исследования.
Актуальность моего исследования обусловлено нехваткой моих знаний
и знаний моих одноклассников о необычных свойствах этой жидкости. А ведь жидкости нас окружают повсюду и их свойства знакомы каждому человеку. Может ли применение неньютоновской жидкости помочь и упростить жизнь человеку? Поэтому изучение и использование необычных свойств жидких веществ всегда будет очень актуально.
Цель исследования: узнать как можно больше о свойствах неньютоновской жидкости. Попробовать сделать неньютоновскую жидкость
в домашних условиях своими руками.
Объектом исследования станет сделанная в домашних условиях неньютоновская жидкость.
В соответствии с целью было предложено решить следующие задачи:
1. Изучить всевозможные источники информации, такие как энциклопедии, информация из Интернета, просмотр видеороликов и узнать, что такое неньютоновская жидкость.
2. Определить сходство и отличие от обычной жидкости.
3. Изучить некоторые свойства неньютоновской жидкости.
4. Попробовать в домашних условиях провести опыты по созданию неньютоновской жидкости.
5. Проанализировать полученные результаты.
При написании этой работы были использованы такие методы как, сбор информации из различных источников по теме исследования, проведение опытов, систематизация собранного материала.
Материалы в теоретическом разделе данной работы помогут восполнить пробел в знаниях по этой интересной теме, а результаты проведенных опытов, описанные в практическом разделе, могут быть использованы на различных уроках в старших классах школы, таких как окружающий мир, физика, химия, биология.
Основная часть
Теоретический раздел
Что такое неньютоновская жидкость и ее отличие от обычной жидкости
Что такое жидкость? Какими свойствами она обладает? С древних времен философы и ученые задавались этими вопросами и изучали свойства
и особенности жидких тел. Среди них были и такие выдающиеся мыслители
и ученые, как Архимед, Галилео Галилей, Исаак Ньютон и многие другие. Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно понять, что такое «вещество»
и какими свойствами оно обладает. Все то, из чего состоят тела, созданные природой, или сделанные руками человека, это и есть «вещество». Стул, на котором мы сидим, сделан из дерева; ложка, которой мы едим – из железа или пластмассы. Дерево, железо и пластмасса – это вещества. Резиновый мячик, молоко в стакане, облака в небе, все это тоже - вещества. Из одного вещества может состоять множество тел. Все окружающие нас вещества существуют
в трех состояниях: газообразное, жидкое и твердое (см. Приложение 5). Свойствами твердых тел являются сохранение формы и объема, а газ не имеет собственного объема и формы, заполняя при этом весь предоставленный им объем. Жидкостью же называют такое состояния вещества, которое обладает свойством течь, менять форму, сохраняя при этом объем. Поэтому жидкое состояние считается промежуточным между твердым телом и газом.
В науке в зависимости от решаемых задач жидкости делят на идеальные
и реальные. Идеальные – это невязкие жидкости, которые обладают абсолютной подвижностью, на них не влияет сила трения, поэтому под воздействием внешних сил такие жидкости не изменяются в объеме, они необходимы для теоретических задач, в которых вязкость не играет особой роли. Однако
в реальной жизни они существовать не могут, так как любая жидкость в нашем мире обладает вязкостью, такие жидкости называют реальными. В них присутствуют силы трения и напряжения. Поэтому они могут сжиматься, сопротивляются, обладают подвижностью. Вязкость характеризует текучие свойства жидкости. Высокая вязкость означает густоту, а низкая вязкость – жидкотекучесть.
В свою очередь реальные жидкости можно разделить на ньютоновские
и неньютоновские.
Своим названием они обязаны Исааку Ньютону - учёному, физику, который сделал множество научных открытий (см. Приложение 6). Ещё в конце 17 века Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее чем, если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё. Соответственно - ньютоновская жидкость – это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. Эта жидкость будет продолжать всегда проявляет свойства жидкости, какие бы внешние силы к ней не прикладывали, то есть таких, которые сохраняют свое состояние, что бы вы с ними не делали. Если воздействовать механически на обычную жидкость то, чем сильнее воздействие, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. К ньютоновским относятся однородные жидкости. Вода является типичным примером: она не становится плотной, не становится более вязкой, ее свойства сохраняются вне зависимости от скорости перемешивания.
Жидкости, которые не поддаются законам обычных жидкостей, считаются неньютоновскими. Эти жидкости ведут себя совершенно по-другому, а их реакция зависит от характера внешнего воздействия. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект. Когда их быстро мять, толкать, стучать, кидать, то есть сильно на них воздействовать, то они становятся твердыми и упругими. Другими словами, чем больше скорость, тем выше трение и, соответственно, более густая консистенция. А если медленно воздействовать или вовсе остановится, то они станут проявлять свойства обыкновенной жидкости, то есть станут текучими. Проще говоря, это такие вещества, которые могут быть
и твердыми, и жидкими.
Неньютоновские жидкости вокруг нас
Изучив этот вопрос более детально через Интернет и различную научную литературу, я поняла, что таких жидкостей вокруг нас немало. И еще я выяснила, что неньютоновские жидкости бывают природными и производственными. Например, природные неньютоновские жидкости – это болотная трясина
и зыбучие пески. А вот с производственными неньютоновскими жидкостями мы встречаемся каждый день. Это жидкое мыло, зубная паста, гели для душа, различные мази, масляные краски, майонез, кетчуп, мед, сгущенка и даже наша кровь. На вид они выглядят густыми, но их вязкость снижается при перемешивании. Например, чем быстрее и сильнее перемешиваешь сгущенку, мед, тем легче это будет делать. А начать перемешивать бывает очень трудно.
Применение неньютоновских жидкостей
На сегодняшний день неньютоновские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, рассмотрим некоторые из них:
В косметологии:
Благодаря своим особенностям неньютоновские жидкости часто применяются в косметологии. Это связано с тем, что производителям ухаживающей и декоративной косметики необходимо, чтобы она держалась на коже. Такой эффект возможен за счет наличия вязкости, которая позволяет использовать такие косметические средства, как тональный крем, блеск для губ, лак для ногтей, гель для душа. При этом для каждого изделия вязкость подбирается своя в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Например, вы когда-нибудь замечали, что упаковка одного геля для душа у вас заканчивается через неделю, а другого флакона хватает на месяц? Весь секрет здесь в консистенции. Самый экономный гель это густой. Для того чтобы помыться им достаточно всего нескольких капель. Вязкость – это не только технологичный параметр, но и важное потребительское свойство, именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большому количеству покупателей, или даже делают один и тот же продукт, например все тот же гель для душа, в разных вариантах – более или менее вязким.
В кулинарии:
В качестве примера из кулинарии можно привести такие неньютоновские жидкости как, кетчуп, майонез, сливочное масло, различные соусы. Все это жидкости позволяют удерживать слои продуктов на месте, держать форму блюда или же скреплять их между собой. Например, чтобы сыр, рыба не соскальзывали
с бутерброда для этих целей используют масло, или майонез. В салатах, особенно которые состоят из нескольких слоев, чтобы они держали форму также часто используют майонез или другие вязкие соусы.
В автомобильной промышленности:
Моторные масла синтетического производства на основе неньютоновских жидкостей применяются главным образом для снижения трения между движущимися деталями в двигателе, увеличивая срок его службы.
В медицине:
Наша кровь тоже относится к неньютоновским жидкостям. В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, это значение играет важную роль. Кровь постоянно движется. По мере увеличения скорости кровотока вязкость крови снижается, а при замедлении скорости кровотока вязкость крови увеличивается. По сравнению с кровью нормальной вязкости, густая и вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, следовательно, может возникнуть тромб, закупоривающий сосуды, и вызвать сердечный приступ или инсульт. И наоборот, может начаться обильное кровотечение, если кровь будет слишком жидкая. Поэтому врачи должны знать о вязкости крови при выполнении различных операций.
Развивающие игрушки:
Обладающий свойствами неньютоновской жидкости игрушки «Слайм», «Лизун» заслужили популярность у детей и взрослых благодаря своим необычным свойствам: они постоянно меняют форму. Одновременно они могут растекаться, как жидкость, если он находится в покое, или же при резком воздействии уплотнятся. Эти игрушки могут служить средством расслабления
и релаксации, помогают развивать мелкую моторику пальцев у детей.
2. Практический раздел
Проведение опытов
После того, как я прочитала различные энциклопедии, изучила всю доступную мне информацию из Интернета о неньютоновских жидкостях,
я решила, что эту особенную жидкости можно создать в домашних условиях
и посмотреть, как она будет себя вести при различном воздействии на неё.
Оказалось, что приготовить неньютоновскую жидкость дома очень просто: для этого я взяла картофельный крахмал и обычную воду
(см. Приложение 7). Все это я смешала в глубокой миске примерно в равных пропорциях. Чтобы жидкость была цветной, я добавила гуашь. Первые странности я заметила, как только начала смешивать эти ингредиенты. Размешать все это было достаточно сложно. Если я мешала эту жидкость быстро, то чувствовала сопротивление, а если медленнее, то нет. Я все-таки приложила некоторые усилия, и перемешивала до тех пор, пока у меня не получилась однородная жидкая масса (см. Приложение 8). Всё. Неньютоновская жидкость готова. Теперь можно смело экспериментировать!
Опыт № 1. Твердая или жидкая?
Я решила изучить неньютоновскую жидкость сначала просто на ощупь. Первое, что я сделала, это резко ударила рукой по жидкости. Все мои пальцы остались именно на поверхности раствора и даже, не проникли внутрь и при этом остались чистыми (см. Приложение 9). Дальше я медленно погрузила один палец в эту жидкость, высунула, и раствор остался на пальце. Дальше
я проделала все тоже самое со всей рукой. Медленно погружала и вытаскивала пальцы из раствора, он все также оставался на пальцах. Затем я снова медленно опустила руку в раствор и стала быстро сжимать жидкость пальцами и между ними у меня стали образовываться твердые комочки (см. Приложение 10). Уже двумя руками я попыталась скатать быстрыми движениями из этих комочков шарики. И у меня получилось это сделать (см. Приложение 11). При чем, чем быстрее и сильнее я это делала, тем тверже мой шарик становился. Но как только я остановилась, шарик начал становиться мягким, а потом и вовсе стек обратно в миску, почти как вода (см. Приложение 12).
Опыт № 2. Течет или нет?
Я решила попробовать перелить неньютоновскую жидкость в другую миску. Оказалось, что все не так просто. Сначала я медленно наклоняла миску
и жидкость текла еле-еле, ее невозможно было выплеснуть (см. Приложение 13). А еще я сделала вывод, что она вообще не брызгается. Я взяла игрушку и бросила ее в миску - она просто влипла в жидкость и никаких брызг не было. Была еще одна особенность с достаточной высоты жидкость лилась как вода, а ниже начинала становится твердой и стала ломаться кусочками, которые потом опять становились жидкими (см. Приложение 14). Потом я решила попробовать резко наклонить миску. При этом действии жидкость осталась на месте, и не потекла вообще.
Опыт № 3. Вязкая или нет?
Для этого опыта я снова взяла игрушку. Сначала я стала резко стучать игрушкой по поверхности раствора, она осталась чистой и не погрузилась
в раствор. Потом я ее поместила в центр миски и оставила там. И моя игрушка за несколько секунд почти полностью погрузилась в жидкость (см. Приложение 15). Я попыталась ее выдернуть, но игрушка поднялась вместе с миской.
С большим трудом мне все-таки удалось ее вытащить. Я решила проверить, что будет с моей рукой, если ее тоже полностью погрузить в жидкость и резко дернуть ее вверх. Я начала медленно погружать руку в раствор, пока мои пальцы полностью не исчезли в нем. А потом резко дернула руку вверх. И представляете, моя рука тоже поднялась вместе с миской со стола (см. Приложение 16).
И теперь я почувствовала собственными пальцами, как бывает, когда засасывают зыбучие пески, и что выбраться из них очень трудно.
Так же я выяснила, что эта жидкость очень быстро высыхает. После проведения опытов я решила ее не выбрасывать, а оставить в миске
и посмотреть, что с ней будет происходить дальше. На утро она полностью затвердела. Но после того, как я добавила воды – с ней стало можно снова играть. Так что этот материал многоразовый.
Если кто-то захочет провести, такие же опыты как я, но у них не будет получатся смешать воду и крахмал в правильных пропорциях, то можно купить готовый набор, которых сейчас продается в магазинах огромное множество
(см. Приложение 17).
А еще при чтении различной литературы для подготовки к опытам,
я уяснила самое главное – неньютоновскую жидкость нельзя выливать
в канализацию, чтобы не засорить, а надо дождаться, когда она высохнет,
и просто выбросить в мусорное ведро!!!
Заключение
В ходе своей исследовательской работы я выяснила, что на свете существуют жидкости, поведение которых отличается от обычных жидкостей. Эти жидкости ведут себя совершенно по-другому, а их реакция зависит от характера внешнего воздействия. Так же я узнала в чем разница между ньютоновской и неньютоновской жидкостями. Например, неньютоновская жидкость может вести себя и как жидкость, и как твёрдое тело. Она имеет широкое применения как в промышленности, так и в повседневной жизни.
Еще я создала в домашних условиях неньютоновскую жидкость
и исследовала некоторые ее свойства и особенности. Мне понравилось ставить опыты с неньютоновской жидкостью – это очень увлекательное
и познавательное занятие. Новых ощущений и впечатлений – море! Это невозможно передать ни словами, ни фотографиями. Просто разведите крахмал с водой, и вы все поймете сами. Впечатления на всю жизнь гарантируются!!!
Список используемых источников и литературы
1. Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
/Александр Никонов - Москва: Издательство АСТ, 2016. – 217 с.
2. Большая книга опытов и экспериментов для детей и взрослых
/Л. Д. Вайткене – Москва: Издательство АСТ, 2016. – 224 с.
3. Википедия - https://ru.wikipedia.org/wiki/Неньютоновская_жидкость -свободная энциклопедия
4. Видеоресурс - https://www.youtube.com/watch?v=unfbSxDLYi4&t=2s Галилео СТС - Неньютоновская жидкость
Приложения
Приложение 1 Приложение 2
Приложение 3 Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8 Приложение 9
Приложение 10 Приложение 11
Приложение 12 Приложение 13
Приложение 14 Приложение 15
Приложение 16 Приложение 17