XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Волшебная жидкость

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Жежеря Д.Е. 1

---

1МАОУ СОШ №1 имени Героя Советского Союза И.В. Королькова, учитель начальных классов

Алексюк М.И. 1

---

1МАОУ СОШ №1 имени Героя Советского Союза И.В. Королькова, учитель начальных классов

Работа в формате PDF

699.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Ещё детском саду мы изучили разные свойства жидкости. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму в зависимости от сосуда, в который ее наливают. Мы знаем, что жидкость может быть в трёх состояниях: в виде пара, может быть жидкой, может быть твердой.

Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Есть жидкости, которые ведут себя непривычным для нас способом. Они могут быть одновременно и жидкими и твердыми. Такие жидкости имеют сложное название – неньютоновские жидкости. Интересно, при каких условиях они изменяют своё состояние? Чем эти жидкости отличаются от обычных жидкостей? Могут ли они быть полезны людям эти необычные жидкость? Я заинтересовался этим и решил изучить свойства неньютоновской жидкости.

Цель работы: наглядно показать свойства неньютоновских жидкостей.

Задачи

1. Узнать, что такое неньютоновская жидкость.

2. В чем отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей и почему их так назвали

3. Создать неньютоновскую жидкость

4. Провести опыты с неньютоновской жидкостью

5. Узнать, где применяется неньютоновская жидкость

Методы работы: анализ литературы, опыты, наблюдения, практические исследования.

Гипотеза: при увеличении скорости воздействия на неньютоновскую жидкость вещество может проявлять свойства твёрдого вещества.

Актуальность.

Жидкостей вокруг нас огромное количество, они очень часто используются человеком в повседневности, изучение свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твёрдого тела можно использовать во многих областях жизни.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для начала стоит разобраться, что такое жидкость вообще. Жидкостью называется одно из агрегатных состояний вещества. Таких состояний известно четыре: газ, жидкость, плазма и твёрдое вещество. «Жидкостью называется то вещество, которое, сохраняя свой объём, может менять свою форму неограниченное количество раз (количество раз, которое будут на вещество воздействовать».[1]

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Жидкости можно разделить на ньютоновские и неньютоновские. Разберемся, почему они имеют такие названия. Этим они обязаны английскому ученому Исааку Ньютону.

Сэр Исаак Ньютон — английский физик, математик, механик, и астроном, один из создателей классической физики. Исааком Ньютоном был создан закон вязкого трения жидкостей.[2] В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. Он сформулировал закон вязкого трения жидкостей, согласно которому жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами в независимости от того, какие силы действуют на него. Следовательно, ньютоновская жидкость - это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. А неньютоновская жидкость та, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. К ним можно отнести масляные краски, зубную пасту, и др.[6].

Чем сильнее воздействовать на обычную жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму.[7] Но вот если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, она станет проявлять свойства твердого вещества. «Связь между атомами и молекулами в данной жидкости будет укрепляться с увеличением силы воздействия на эту жидкость».[3]

1.2 Применение неньютоновской жидкости в жизни

Используя информацию из интернета, мне удалось установить, где данная жидкость применяется в повседневной жизни человека.

Для меня было большим открытием узнать, что неньютоновские жидкости окружают человека практически везде. Например в медицине - это различные мази, а также необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови. Ведь кровь тоже относится к неньютоновским жидкостям. Высокая вязкость крови способствует ряду проблем со здоровьем. Кулинары, чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, так же используют вязкие продукты питания. [6] (соусы разного характера, майонез). Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям. (крема, гели для душа, лак для ногтей, помада и многое другое). Неньютоновские жидкости с каждым годом все больше завоевывают наш мир. Так ученые на основе такой жидкости изобрели «жидкую сумку», которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета.[6]

Также неньютоновские жидкости используются в автопроме, «моторные масла синтетического производства на основе неньютоновских жидкостей уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение в двигатели» [5]

Есть еще один интересный способ применения этой удивительной жидкости. Однако, группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предложила нестандартное решение этой проблемы. Они предлагают латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. Этот способ оказался чуть дороже обычного асфальта: ведь водонепроницаемые мешки должны иметь очень прочную оболочку, поэтому в её составе используются нити кевлара и силикона. Но чтобы уложить асфальт, нужна специальная техника и квалифицированные работники, не говоря уже о затратах времени и энергии на предварительный разогрев покрытия. Зимой такой метод малоэффективен. У нас на Ямале зима длится до девяти месяцев в году, поэтому данный метод ремонта дорог нам не подходит.

Из интернета я узнал, что на основе неньютоновской жидкости существуют материалы, обладающие защищающими от удара свойствами. Из них делают средства защиты. Такие как наколенники, налокотники для спортсменов, бронежилеты для военных, чехлы для смартфонов и планшетов.

Неньютоновскую жидкость можно встретить и в природе, например, это зыбучие пески, нефть.

Очень популярна была и игрушка «лизун», сейчас её называют «Слайм», которому можно придать любую форму, но который при длительном состоянии покоя растекается.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Отличие неньютоновской жидкости от обычной жидкости.

Проведя анкетирование среди сверстников на предмет информированности о неньютоновских жидкостях, оказалось, что 96 % не знают о существовании неньютоновских жидкостей.

На 1 этапе своего исследования мы изучили литературу о неньютоновской жидкости. Узнали, чем отличается неньютоновская жидкость от обычной жидкости.

2.2. Получение неньютоновской жидкости.

На 2 этапе работы мы проанализировали информацию и изготовили неньютоновскую жидкость в домашних условиях.

Для получения неньютоновской жидкости в домашних условиях мы приготовили крахмал (картофельный, кукурузный — любой) и воду. Пропорция зависит от качества крахмала и составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В результате смешивания мы получали нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами – это первый вид неньютоновской жидкости, которую мы получили в домашних условиях.

2.3. Проведение различных опытов с неньютоновской жидкостью

Для изучения свойств неньютоновской жидкости мы решили провести следующие опыты.

Опыт № 1. «Растекающиеся шарик»

Получившуюся жидкость налил в руку и попробовал скатать шарик, быстро перекладывая жидкость из руки в руку. При таком воздействии на жидкость, пока катали шарик, в руках у нас был твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее на него воздействуешь, тем плотнее и тверже становится шарик. Как только мы разжали руки, твердый до этого времени шар тут же растекся по руке (рис.2).

Еще я попробовал лить жидкости тонкой струйкой. Если бить палочкой по неньютоновской жидкости, то струйка отодвигается палочкой в сторону. Если бить по струйке воды, она разбрызгивается, но льется строго сверху вниз. Этот опыт показывает действие на жидкости силы тяжести.

Мы сделали вывод, что неньютоновская жидкость под воздействием сил ведет себя как твердое тело, но после прекращения воздействия на него, жидкость снова принимает свойства жидкой формы, она течёт.

Опыт № 2. «Непробиваемая жидкость»

Проведем опыт: бьём кулаком по воде и неньютоновской жидкости. При ударах по воде она расплескивается, а кулак тонет. Бьем кулаком по неньютоновской жидкости кулак не погружается в жидкость, как бы мы не старались. Но при медленном погружении кулака он погружается как в обычную жидкость. Демонстрация опыта представлена в видео.

Опыт №3 «Падение тяжелого предмет на жидкость»

Для проведения опыта взяла две ёмкости с жидкостями – одну с водой, другую с неньютоновской жидкостью и тяжёлый предмет. Сначала кинули тяжёлый предмет в ёмкость с водой. Вода расплескалась, предмет утонул. Затем кинули предмет в чашу с неньютоновской жидкостью – предмет не утонул, а упал как на твердую поверхность. Но если мы оставим его лежать, то он утонет как в обычной воде.

Опыт № 4. «Забивание гвоздя в деревянный брусок»

Еще я попытался провести опыт с забиванием гвоздя. Для этого я попытаюсь забить гвоздь в брусок в разных жидкостях. Сначала забьём гвоздь в чашке с водой - в чашке с водой, брусок под ударами тут же оказывался под водой, забить гвоздь не получалось. Теперь попробуем забить гвоздь в чашке с неньютоновской жидкостью - в чашке с неньютоновской жидкостью брусок не тонул, а только немного пружинисто проседал, и гвоздь получилось забить.

Вывод: Этот опыт показывает, что неньютоновская жидкость под воздействием сил ведет себя как твердое тело.

Опыт № 5. «Эффект Кайе»

Для этого эксперимента потребуется два обычных шампуня разного цвета. Если один шампунь маленькой струйкой лить на поверхность, которая покрыта другим шампунем, то будет проявляться интересный эффект - жидкость будет отскакивать сама от себя.

Вывод: Это происходит потому что у неньютоновских жидкостей, которой шампунь и является, имеется очень интересное свойство менять свою вязкость при нарастании напряжения сдвига.

Опыт № 6. «Танцующая жидкость»

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но и даже звуковыми волнами. Попробуем и мы воздействовать на неньютоновскую жидкость звуком. Для этого нам понадобится динамик, пластиковая кювета и неньютоновская жидкость. Нальем немного нашей жидкости в кювету и поставим на динамик. Жидкость под воздействием звуковых волн должна начать танцевать. Простая же вода просто вибрирует. У нас опыт не получился, мы не смогли найти достаточно мощный динамик

Опыт № 7 «Опыты с большими объемами неньютоновской жидкости»

Так как опыты с неньютоновской жидкостью очень популярны, то некоторыми исследовательскими группами проводились опыты с очень большими объемами неньютоновской жидкости. Например, если бассейн наполнить неньютоновской жидкостью, то по ней можно даже бегать, но если остановиться то сразу начнешь тонуть.

Все изложенные выше опыты демонстрируют нам главное свойство неньютоновской жидкости – способность становиться более вязкой и твердой при резком взаимодействии с ней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. В своей работе мы использовали лишь малую часть того, что известно о неньютоновских жидкостях. В результате исследования получено представление о некоторых свойствах неньютоновских жидкостей. Они отличаются от обычных жидкостей. Мы доказали, что неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, но и даже звуковым. В результате изучения литературы и интернет источников мы узнали,где можно применять эти удивительные по своим свойствам жидкости: в ремонте дорог, в военной промышленности, в косметологии, в медицине, в кулинарии. Также, узнали в чем отличия обычной жидкости от неньютоновской жидкости. Получено представление о степени распространённости неньютоновских жидкостей: оказывается, такие жидкости встречаются повсюду и области их применения довольно широки.

В ходе работы проведено экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей с выполнением фотографий и видеосъемки. Проведя эксперименты с неньютоновской жидкостью мы на собственном опыте убедились в удивительных свойствах этой жидкости. По итогам работы были достигнуты все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. Я считаю, что мы достигли цели: выявили отличия обычной жидкости от неньютоновской и наглядно продемонстрировать волшебные свойства неньютоновской жидкости.

У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни. Выполняя работу, я очень много узнал нового и интересного. На классном часе я поделился с одноклассниками своими открытиями о неньютоновских жидкостях, многие дети заинтересовались, стали проводить эксперименты.

На этом моя работа с волшебной жидкостью не закончена. В дальнейшем мы попробуем создать детскую игрушку Лизун на основе неньютоновской жидкости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org)

2. А.В.Перышкин Физика 7 класс, Дрофа, Москва 2008 г.

3. Г.Б. Фройштетер «Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах»

4. У.Л. Уилкинсон «Неньютоновские жидкости»

5. http://anydaylife.com/fact/post/2121

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Неньютоновская_жидкость

7. https://vilingstore.net/Nenyutonovskaya-zhidkost-i174923

8. https://hi-news.ru/science/fizika-6-svojstv-nenyutonovskojzhidkosti.html

9. https://fishki.net/20394-nenjutonovskaja-zhidkost-13-foto--tekst.html

10. https://idaten.ru/other/zagadki-nenutonovskoi-jidkosti

11. http://naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html

12. Фотографии из домашнего архива семьи Жежеря.