II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ТАЙНА "ВОЛШЕБНЫХ" ЖИДКОСТЕЙ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гурский Д.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Новопавловский учебно-воспитательный комплекс" муниципального образования Красноперекопский район Республики Крым

1

---

1

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Содержание

Введение

Все мы знаем, что человека повсюду окружает огромное количество жидкостей. Жидкость есть везде и всегда. Даже мы, люди, состоим из жидкости, без воды невозможна жизнь на земле. Использование жидкости происходит всегда и повсеместно: мы пьем чай, пользуемся шампунем, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Я хорошо знаю, что основными свойствами жидкости является её текучесть, способность менять свою форму под действием механического воздействия.

Однажды в одной научной телепередаче я услышал понятие «неньютоновская жидкость». Меня это очень заинтересовало, и я решил разобраться, что же это такое - «неньютоновская жидкость»? Почему она неньютоновская? И чем она отличается от просто жидкости.

Цель исследования: изучение свойств неньютоновской жидкости.

Задачи исследования:

1. Узнать, что такое неньютоновская жидкость.

2. Определить сходство и отличие с жидкостью.

3. Изучить некоторые свойства неньютоновской

жидкости.

1. Применение неньютоновских жидкостей в

повседневной жизни.

Гипотеза исследования: Предполагаю, что неньютоновские жидкости — это жидкости с особыми «аномальными» свойствами, однако они не являются редкостью, мы встречаем их часто и также часто используем.

Актуальность: Я решил поинтересоваться у одноклассников: «Что такое неньютоновская жидкость?». Но из 26 ребят 24 человека – ничего не знают об этом, а 2 человека – только лишь слышали о ней, но что это, не знают. А ведь жидкости окружают нас повсюду. Всегда очень интересно, что нового может человечество узнать о природе. Может ли полезное применение неньютоновской жидкости упростить жизнь человека и помочь в освоении науки? Поэтому изучение свойств жидких веществ, расширение знаний о них и использование аномальных свойств жидкостей всегда будет актуально.

Методы исследования:

- Наблюдение;

- Изучение теоретических материалов, просмотр видеороликов;

- Обобщение и обработка данных;

- Проведение опытов;

- Анализ результатов.

1. 1. Жидкость и ее свойства.

Человечество уже много тысячелетий занимается изучением жидкостей, и этот интерес понятен. Ведь, во- первых, в природе неспроста существует значительный запас жидкостей, которые легкодоступны человеку; во - вторых, все эти жидкие тела имеют полезные свойства, которые можно легко использовать в повседневной жизни; в - третьих, немаловажным фактором является то, что основное количество химических реакций протекает в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах). Изучением свойств жидкостей занимались такие великие личности, как Архимед, Леонардо да Винчи, Галилео Галлилей, Исаак Ньютон, Михаил Ломоносов и многие другие.

Так что же такое жидкость? Почему многие тысячелетия этот вопрос вызывает у ученых неизменный интерес? Какими свойствами она обладает?

В толковом словаре Ожегова жидкость – это вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в который оно выливается.

Жидкость - одно из состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других состояний, является способность неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём. Жидкое состояние считается промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Реальные (вязкие) жидкости обладают сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

Нью́тоновская жидкость (названная так в честь Исаака Ньютона) — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона. Будет более понятно, если сказать, что ньютоновская жидкость – это вода, масло, сок, молоко 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). Они продолжает демонстрировать свойства жидкости вне зависимости от скорости перемешивания. Эти вопросы я буду изучать в старших классах.

Но в не все в нашем мире так просто, оказывается, есть жидкости, способные выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно - НЕньютоновские жидкости.

Так что же такое неньютоновская жидкость?

1.  

   1. Неньютоновская жидкость

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Это тоже жидкие тела, они тоже текучи, не обладают определенной формой, принимают форму сосуда, в который налиты. Но также обладают свойствами, нарушающими закон Ньютона. Например, есть такие жидкости, которые при сильном давлении становятся плотными, при медленном воздействии становятся текучими, а при сильном воздействии – упругими, твердыми. Проще говоря, это такие вещества, которые могут быть и жидкими, и твёрдыми. Если быстро толкаем, мнем, кидаем, стучим, то они проявляют качества твёрдого тела, а если останавливаемся, то в наших руках они превращаются в лужицу.

Изучив этот вопрос глубже через научную литературу и Интернет, я понял, что таких жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. Даже наша кровь относится к неньютоновским жидкостям. Кровь находится в постоянном движении. По мере увеличения скорости кровотока вязкость крови снижается, а при замедлении — увеличивается. Значение вязкости жидкости играет важную роль. Предположим, что наша кровь слишком густая. Следовательно, может возникнуть тромб и вызвать сердечный приступ или инсульт. Если кровь слишком жидкая, может начаться кровотечение. Врачи должны знать о вязкости крови при выполнении операций. Также к неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, жидкое мыло, гель, мыльный крем для бритья, некоторые пищевые продукты (простокваша, кефир, соус кетчуп, желатиновые раство­ры, майонез, горчица, мед). На вид они выглядят густыми, но их вязкость снижается при взбалтывании. Например, чем сильнее и быстрее перемешиваешь сгущенку, мёд, некоторые строительные растворы, тем легче это делать. А начать бывает трудно.

Зыбучие пески - известный с давних пор пример неньютоновских жидкостей. Они опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Остановись на таком песке - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет, поэтому, если по нему пробежать, то он проявит свойства твердого тела и не засосёт внутрь.

Неньютоновские жидкости состоят из мелких частиц, распределенных в жидкости, причем внешне могут напоминать твердые субстанции или гель. Они подчиняются при своём течении закону вязкого трения, то есть их вязкость не зависит от температуры жидкости, а зависит от скорости сдвига. Неньютоновская жидкость неоднородна, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, эта жидкость ведет себя по-разному в зависимости от воздействия.

Изучая данную тему, я решил провести опыты, чтобы в домашних условиях получить неньютоновскую жидкость, изучить её свойства, сравнить с обыкновенной жидкостью, попытаться понять, как можно использовать аномальность неньютоновской жидкости в повседневной жизни.

1.3.Экспериментальное исследование свойств неньютоновских жидкостей

1.3.1. Опыты с крахмальным молочкомРеактивы: крахмал картофельный, вода.Посуда: глубокая чашка, металлическая палочка.Ход работы:

Насыпаю крахмал в посуду, наливаю туда небольшое количество воды и с помощью металлической палочки (ложки) тщательно размешиваю, пока не получиться однородная жидковатая масса. Пропорция зависит от качества крахмала и обычно составляет 1:1. Теперь провожу с полученной жидкостью опыты:1)Медленно опускаю и палец в чашку, высунув, вижу, что он остался покрытым жидкостью. 2) Резким ударом пальца бью по жидкости, – палец не проникнул внутрь, остановился на поверхности раствора. И чем быстрее и сильнее я пробую пробить верхний слой, тем большее сопротивление получаю взамен. Делаю вывод: если подобной жидкостью заполнить большой резервуар, по ней можно будет бегать, не утонув.3) Не спеша опускаю в раствор указательный и большой пальцы, резко сдавливаю их, между пальцами оказался твердый комочек. 4) Медленно окунаю в жидкость все пальцы, а потом резко пытаюсь их выдернуть, но раствор поднимается вслед за пальцами вместе с чашкой!5) Переливаю крахмальный раствор из одной чашки в другую на достаточно большом расстоянии. Сверху жидкость начинает литься, а ниже падает комками, которые потом растекаются! 6) Крахмальный раствор наливаю в руку, он лежит в ладони лужицей. Быстрыми движениями скатываю из раствора шарик. Пока я катаю шарик, он остаётся в ладони твёрдым, причем, чем быстрее и сильнее я на него воздействую, тем плотнее и тверже шарик становится. Как только я разжимаю ладонь, твердый до этого времени шар тут же растекается по руке.

7. Пробую проехать по поверхности игрушечной машинкой. Пока делаю это быстро, машинка движется по поверхности, но как только снижаю скорость, она вязнет в жидкости.

8. Наливаю крахмальную жидкость в прозрачный пакет и помещаю внутрь её сырое яйцо. С метровой высоты бросаю пакет на пол, - яйцо осталось целым. Этот опыт показывает, что когда неньютоновская жидкость ударяется о пол, нижний её слой становится твердым, следующий становится плотным, а чем дальше от пола, тем более жидкий. Яйцо, благодаря распределению плотности, не разбилось.

9. Кладу в чашку с раствором брусок и забиваю в него гвоздь. В простой воде брусок бы просто тонул, а в неньютоновской жидкости лишь слегка проседает от ударов, и гвоздь получается забить.

Вывод из серии опытов: вязкость крахмального молочка (неньютоновской жидкости) зависит от механических воздействий. Чем выше скорость воздействия, тем больше вязкость.

1.3.2. Опыты со слаймом и умным пластилином

Самая первая игрушка-лизун или слайм (slime) была сделана компанией Mattel в 1976 году. Она заслужила популярность благодаря своим забавным свойствам – одновременно текучести, эластичности и возможности постоянно трансформироваться. Обладающая свойствами неньютоновской жидкости, игрушка-лизун быстро стала безумно популярной у детей и взрослых. Материал похож на слизь, но при этом не разливается и легко собирается. Если слайм оставить в покое, он начинает растекаться по поверхности, а при резком воздействии уплотняется, и, например, при ударе по куску материала можно видеть, как он рвётся.

Разновидностью слаймов стал умный пластилин или хэндгам, «жвачка» для рук, все эти названия объединяют забавную и необычную пластилиновую игрушку-развлечение. Умный пластилин схож с «лизуном», но отличается более насыщенными и устойчивыми свойствами. Эти свойства проявляются в самых необычных и оригинальных формах: светящийся, цветной (неоновый, металлик, с блестками и др.), теплочувствительный, магнитный, ароматизированный и др.

Реактивы: клей ПВА (100 гр), 1 стакан воды, тетраборат натрия (боракс или бура, может быть приобретен в аптеке в форме 4%-ного раствора), пищевой краситель или несколько капель зелёнки.

Посуда: Мерный стакан, посуда и палочка для смешивания.

Ход работы:

Растворяю столовую ложку боракса в стакане воды. Четверть стакана воды и четверть стакана клея смешиваю в однородную массу в другой посуде, добавив туда же краситель. Перемешивая клеевую смесь, постепенно добавляю туда раствор буры, около полстакана, до получения желеобразной однородной массы.

У меня получилась густая масса, которая, тем не менее, является неньютоновской жидкостью. Она становится очень вязкой при нагрузках, но растекается как обычная жидкость в спокойном состоянии, это я узнал из опытов:

1.Свойство жидкости. Делаю из массы шарик и кладу его на стол, он расплывается и стекает со стола струйкой. Но при этом совершенно не оставляет липких пятен, полностью собирается вновь, не требует уборки территории. Не липнет к рукам и другим вещам.

2. Свойство резиноподобного вещества. Медленно растягиваю в руках массу. Пластилин действительно при плавном воздействии растягивается и пружинит. Но при резком натяжении разрывается, подобно мокрому картону. Интенсивно мну его в руках и скатываю твёрдый шарик, который становится чрезмерно прыгучим и при резком подбрасывании и ударе – отскакивает, словно мяч.

3. Свойство твёрдого вещества. Сильно сжимаю массу, формирую шарик и ударяю по нему молотком. Пластилин моментально твердеет.

4. Хочу узнать, какими ещё свойствами обладает умный пластилин. Из средств массовой информации я узнал, что неньютоновская жидкость обладает защитными противоударными свойствами. Готовым составом обволакиваю палец и ударяю по нему молотком. Состав очень сильно смягчает удар молотка, но давление все-таки ощущается.

Вывод: Данную неньютоновскую жидкость можно использовать не только для развития детей, их мелкой моторики, но и как защиту от ударов. Если разработать состав лучше, то противоударные свойства будут выше.

1.3.3.Наблюдение эффекта Вейссенберга Если в воду, нахо­дящуюся в неподвижном стакане, опустить вращающийся стержень, то жидкость поднимается по стенкам сосуда, образую воронку. Однако неньютоновские жидкости ведут себя иначе. Реактивы: яичный белок. Оборудование: стакан, металлический стержень. Ход работы:

В стакан отделяю яичный белок. Погружаю в белок вра­щающийся стержень, закреплённый в ручной дрели. Бе­лок ведёт себя странным образом: вместо того, чтобы подниматься по стенкам (как вода), он пополз вверх по стержню. Это явление называется эффектом Вессенберга.

Объяснение.Когда вязкая упругая жидкость вращается, сдвиг одного слоя относительно другого создает напряже­ния вдоль внешней границы жидкости, которые стремят­ся собрать жидкость к центру вращения. В нормальных ньютоновских жидкостях эти напряжения не возникают. В нашем опыте под действием этих напряжений жидкость собирается на оси вращения и поднимается вверх по стержню.

1.3.4. Течение вязкой жидкости Реактивы: сгущённое молоко или мёд. Посуда: тарелка. Ход работы: Сгущённое молоко выливаю из банки в тарелку с высо­ты от 5 до 20 см.Наблюдаю такой эффект: на некотором расстоя­нии от тарелки струйка жид­кости начинает накручиваться колечками или складываться складками, образуя «жидкий канат». По­чему возникают такие колеч­ки?

Объяснение. Когда сгущенка падает и ударяется о поверхность такой же жидкости в тарелке, струйка сжима­ется, это заставляет ее вы­гибаться вбок. При данных условиях струйка не может разорваться, поэтому, если количество падающей жид­кости больше, чем может сра­зу поглотить жидкость, на­ходящаяся внизу, то струйка начинает завиваться. Оказалось, что чем толще струйка, тем крупнее кольца или складки, тем медленнее происходит «намотка».

Проведя все опыты, я составил сравнительную таблицу свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

1.  

   1. Применение Неньютоновских жидкостей

Проведя опыты и изучив материал в литературе и интернете, я пришёл к выводу, что исследование неньютоновских жидкостей очень актуально и востребовано. Ученые в первую очередь изучают их вязкость, ведь 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.

Развивающие игрушки.

Многие приготовленные мной неньютоновские жидкости могут использоваться в качестве развивающих игрушек для детей (развитие моторики, ловкости, реакции), а так же могут служить средством релаксации и расслабления.

Применение в косметологии

Чтобы косметика держалась на коже, её делают вязкой. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на умении подобрать идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.

Применение в кулинарии

Чтобы красивее оформить блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Масло, маргарин и майонез используют для того, чтобы удерживать слои продуктов при изготовлении бутербродов. В салатах часто используют майонез, чтобы они не расползались, держали форму, что не возможно при использовании, например, оливкового масла.

Применение в автопромышленности

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.

Ученые всё больше уделяют внимание изучению неньютоновских жидкостей и удивляют нас своими идеями. Например, была создана «Жидкая сумка». Для того чтобы защитить авиапассажиров, международная команда ученых разработала специальную сумку-чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета.

А группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. По их словам, неньютоновская жидкость пришла им в голову из-за своей дешевизны (обычная грязь с водой и крахмалом - и та ведёт себя как неньютоновская жидкость) и особых физических свойств. Эта идея может послужить замечательным средством для дорожных служб, которые смогут временно «залатывать» выбоины, скажем, в холодное время года, с тем, чтобы при наступлении теплой сухой погоды отремонтировать дорогу по-настоящему.

«Жидкий бронежилет». Новый тип бронежилета создали Специалисты из британской компании BAE Systems разработали новый тип бронежилета, в котором использовали особую жидкую субстанцию (состав держат в тайне), которая будет заполнять пространство между слоями кевлара. Жидкость будет гасить удар, распределяя импульс по всему бронежилету.

По подобному принципу уже разрабатывают футляры для очков, телефонов и других хрупких предметов.

Заключение

В мире много удивительных веществ, и неньютоновская жидкость – яркий этому пример. В результате исследования я получил представление о некоторых свойствах неньютоновских жидкостей, о степени их распространенности: оказывается, такие жидкости встречаются повсюду и области их применения довольно широки.

Гипотеза исследования подтвердилась: неньютоновские жидкости ведут себя аномально. При быстром взаимодействии они имеют свойства твёрдого тела, а при медленном – обычной жидкости. Выявленные свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в повседневной жизни человека от борьбы с терроризмом и ремонта дорог до развивающих детских игрушек, средств релаксации, расслабления.

Цель работы достигнута: теоретическим и экспериментальным методами исследованы некоторые свойства неньютоновских жидкостей и выяснены их особенности.

У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни.

Список литературы:

1. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 1973.

2. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1979.

4. Галилео СТС Неньютоновская жидкость http://www.youtube.com/watch?v=unfbSxDLYi4

5. Неньютоновская жидкость [Электронный ресурс]

http://www.webpark.ru/comment/45527

1. Неньютоновская жидкость ВИКИПЕДИЯ [Электронный ресурс]

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CD%E5%ED%FC%FE%F2%EE%ED%EE%E2%F1%EA%E0%FF_%E6%E8%E4%EA%EE%F1%F2%FC (дата обращения 10.09.2014 г.)

1. Неньютоновские дороги: заплаты на асфальте [Электронный ресурс] http://www.popmech.ru/article/10912-nenyutonovskie-dorogi/