Изучение свойств неньютоновских жидкостей

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Изучение свойств неньютоновских жидкостей

Кириллин Т.Т. 1
1МБОУ "Нюрбинский технический лицей им.А.Н.Чусовского"
Николаева С.В. 1
1МБОУ "Юрюхнг-Хаинская СОШ"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Жидкости, свойства которых мы обычно наблюдаем, подчиняются законам Ньютона и называются ньютоновскими. Однако существуют и другие жидкости, которые не следуют этим законам. Они способны изменять свою вязкость и плотность под воздействием физических сил, включая не только механические воздействия, но и звуковые волны. Такие жидкости называют неньютоновскими.

С неньютоновской жидкостью я впервые столкнулся, когда искал в интернете информацию о популярной детской игрушке — умном пластилине. Я нашел видеоролики, демонстрирующие свойства неньютоновских жидкостей на примере домашнего умного пластилина. Эти эксперименты произвели на меня огромное впечатление, и я захотел узнать больше об удивительных свойствах жидкостей, которые противоречат законам физики.

Актуальность:

Неньютоновские жидкости представляют собой увлекательный объект для исследования благодаря своим уникальным свойствам, которые отличают их от традиционных ньютоновских жидкостей. Они находят широкое применение в различных областях, включая медицину, промышленность и повседневную жизнь. С развитием современных технологий неньютоновские жидкости становятся важными компонентами инновационных материалов и продуктов. Изучение их характеристик позволяет не только повысить качество жизни, но и оптимизировать производственные процессы. Крайне важно понимать, как эти жидкости реагируют на механические воздействия и какие преимущества они могут предложить в различных сферах применения.

Объект исследования: свойства неньютоновской жидкости.

Предмет исследования: неньютоновская жидкость.

Цель:

- изучить некоторые физические свойства неньютоновской жидкости

Гипотеза:

Предполагаем, что неньютоновская жидкость, это смесь, которая обладает свойствами жидкостей, а также некоторыми особыми свойствами

Новизна: изучение неньютоновских жидкостей в школьной программе по теме «Свойства жидкостей».

Задачи исследования:

- Собрать теоретический материал о неньютоновской жидкости;

-Экспериментальным путем изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей (плотность, время заморозки).

-Узнать область применения неньютоновских жидкостей.

- Ознакомить учащихся с неньютоновской жидкостью.

Методы исследования:

- Наблюдение;

- Изучение теоретических материалов;

- Проведение опытов;

- Провести опрос среди школьников 5-11 классов

- Анализ.

Практическая значимость: исследовательская работа может быть использована при изучении темы «Свойства жидкостей» по предмету физика, выполнении лабораторных практикумов и во внеаудиторной деятельности для начальных и средних классов.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    1. ЖИДКОСТЬ, НЕ ПОДЧИНЯЮЩАЯСЯ ЗАКОНУ НЬЮТОНА

Жидкость является одним из состояний вещества, наряду с газом и твердым телом, которые вместе составляют три агрегатных состояния. Жидкость характеризуется способностью изменять свою форму под воздействием внешних факторов, при этом сохраняя объем. Это состояние обычно рассматривается как промежуточное между твердым телом и газом: газ не удерживает ни форму, ни объем, тогда как твердое тело сохраняет и то, и другое. Как вы представляете себе жидкость? Она должна, прежде всего, течь и растекаться, а не выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение. Однако в нашем мире есть особые жидкости, которые ведут себя иначе — это неньютоновские жидкости.

В конце XVII века великий физик Исаак Ньютон заметил, что грести веслами быстрее гораздо сложнее, чем медленно. Он сформулировал закон: «Вязкость жидкости увеличивается пропорционально приложенной силе». Это означает, что при значительном увеличении силы воздействия на воду ее вязкость и сопротивление возрастут до такой степени, что вода сможет поддерживать бегущего человека на поверхности. Но какая скорость нужна для этого? Для человека массой 72 кг и размером обуви 42 — около 150 км/ч. Однако достичь такой скорости невозможно, поэтому о «хождении по воде» можно забыть. Тем не менее, жидкость может удерживать на своей поверхности любого человека! Для этого достаточно немного изменить состав воды. Жидкости, которые не подчиняются законам Ньютона, называют «неньютоновскими». Их вязкость увеличивается значительно быстрее, чем увеличивается сила воздействия. Это может звучать сложно, но проще понять так: ньютоновские жидкости — это вода, масло и большинство привычных нам жидкостей, которые сохраняют свое агрегатное состояние независимо от внешних воздействий (за исключением испарения или замораживания).

Неньютоновские жидкости же имеют течение, которое не подчиняется законам Ньютона. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. При резком и сильном воздействии они ведут себя как твердые тела, а при медленном воздействии — как жидкости. Неньютоновские жидкости меняют свою плотность и вязкость под воздействием физических сил, включая механическое воздействие, звуковые волны и электромагнитные поля.

Физическая основа неньютоновской жидкости

Частицы крахмала при взаимодействии с водой начинают набухать, образуя физические контакты в виде хаотично переплетенных молекул. Эти крепкие связи называют зацеплениями. При резком воздействии такие связи препятствуют движению молекул, и система ведет себя как упругая пружина. Однако при медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться, что приводит к разрыву сетки и равномерному рассеиванию молекул.

К неньютоновским жидкостям относятся буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубная паста, кровь, жидкое мыло и другие подобные вещества.

Вывод:

  1. Ньютоновские жидкости – это вязкие жидкости, подчиняющиеся в своем течении закону вязкого трения Ньютона.

  2. Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при механическом воздействии на них

    1. ПРИМЕНЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Неньютоновские жидкости с каждым годом всё больше проникают в нашу жизнь. Ученые проявляют большой интерес к этим материалам и регулярно предлагают новые увлекательные идеи для их применения, например, «жидкую сумку». Эта инновационная сумка-чехол была разработана международной командой ученых для защиты авиапассажиров, так как она способна нейтрализовать взрыв в багажном отсеке самолета.

Неньютоновские жидкости также находят применение в производстве защитного снаряжения, такого как наколенники, налокотники и шлемы для спортсменов, а также используются в обучении маленьких детей ходьбе.

В автопромышленности эти жидкости применяются в современных технологиях амортизации различных компонентов транспортных средств и механических машин. Благодаря своей способности растекаться, как обычные жидкости, и моментально затвердевать при ударах, неньютоновские жидкости также рассматриваются как решение проблемы выбоин на дорогах.

Кроме того, они используются для создания футляров для хрупких предметов, таких как очки и мобильные телефоны.

В нефтяной промышленности добавление небольшого количества полимера в перекачиваемую жидкость значительно снижает силу трения, что важно при транспортировке нефти по длинным трубопроводам.

В мореплавании и пожаротушении в 50-е годы американские пожарные начали добавлять полимерные добавки в струю воды из брандспойта, что увеличивало её длину в полтора раза. Полимерные добавки также повышают срок службы станков и оборудования, а впрыскивание полимерного раствора в носовую часть судна позволяет увеличить его скорость.

В косметологии вязкость продуктов, таких как тональные кремы, блески для губ и лосьоны, подбирается индивидуально для достижения оптимального эффекта на коже.

В кулинарии вязкие продукты, например соусы, делают блюда более аппетитными и удобными для употребления. Они помогают удерживать слои ингредиентов на месте в бутербродах и салатах, предотвращая их скольжение.

Развивающие игрушки, такие как «умный пластилин» и силиконовый «лизун» (slime), были созданы компанией Mattel в 1976 году. Эти игрушки стали популярными благодаря своим забавным свойствам текучести и эластичности. Они не только развлекают детей и взрослых, но и способствуют развитию моторики пальцев и релаксации.

Вывод:

Свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в повседневной жизни человека: начиная с борьбы с терроризмом до развивающих детских игрушек, и использования в медицине и косметологии.

глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

    1. анкетирование

Чтобы выяснить, знакомы ли учащиеся с неньютоновскими жидкостями, мы провели опрос, в котором приняли участие 34 ученика с 5 по 11 класс.

ОПРОС:

1. Знаете ли вы, что такое неньютоновская жидкость? (да/нет)

2. Встречали ли вы неньютоновскую жидкость в своей жизни? (да/нет)

3. Хотели бы вы узнать о свойствах неньютоновских жидкостей? (да/нет)

Рис. 1: «Результаты опроса»

Таким образом, большинство учащихся не знакомы с неньютоновскими жидкостями. Основываясь на этих ответах, я решил в своем докладе более подробно рассказать о свойствах неньютоновских жидкостей.

2.2. опыты в домашних условиях

В практической части мы провели несколько опытов.

Эксперимент № 1 «Не пробиваемая жидкость»

Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.

Оборудование: вода, крахмал, чаша.

Ход эксперимента:

Мы взяли чашу с водой и крахмалом и смешали их в соотношении 2 к 1. В результате получилась масса, напоминающая кисель, обладающая интересными свойствами. Если медленно опустить руку в эту смесь, ощущения будут такими же, как при погружении в воду. Однако, если резко ударить по смеси, рука отскочит, словно это твёрдое тело.

Также, если лить эту смесь с достаточной высоты, то в верхней части струи она будет течь как жидкость, а в нижней — собираться комками, как твёрдое вещество. Можно также опустить руку в жидкость и быстро сжать пальцы — вы почувствуете, как между ними образуется твёрдая прослойка. В другом эксперименте, если попытаться резко вытащить руку из смеси, есть высокая вероятность, что ёмкость поднимется за ней. Когда быстро воздействовать на жидкость, например, взяв немного смеси в кулак и катая её, она станет плотной и легко сформируется в шарик. Но как только я остановлю движение рук, шарик быстро начнёт течь между пальцами.

Вывод №1: Таким образом, на этом эксперименте мы убедились в том, что вязкость неньютоновской жидкости зависит от градиента скорости. Если на эту жидкость воздействовать с силой, то она приобретает свойства твердого тела.

Эксперимент № 2 «Изготовление лизуна»

Цель: получить смесь игрушку умного – пластилина (лизуна).

Оборудование: клей ПВА, крахмал, тетраборат натрия, несколько капель зеленки, мерный стакан, палочка.

Ход эксперимента:

Изготовление лизуна своими руками и в домашних условиях отличается от оригинального рецепта.

1. Клей ПВА. Белый, желательно свежий клей можно купить в любом канцелярском или строительном магазине. Клея для Лизуна нам понадобится примерно половина обычного стакана, около 100 гр.

2. Крахмал (картофельный или кукурузный).

3. Пищевой краситель или несколько капель зеленки. Оригинальный лизун – зеленый.

4. Мерный стакан, посуда и палочка для смешивания.

Давайте перейдем к процессу создания лизуна.

• В первую очередь, наливаем клей в емкость. Если хотите, добавьте краситель и тщательно перемешайте.

• Постепенно, продолжая мешать, добавляйте крахмал — примерно полстакана. Продолжайте перемешивать до тех пор, пока не получите однородную желеобразную массу.

• Проверяем результат: загустевшая субстанция и есть наш лизун, который напоминает желе. Вы можете выложить его на стол, помять и испытать все его уникальные свойства.

Вывод №2: Таким образом, в ходе этого эксперимента мы создали умный пластилин в домашних условиях. Он демонстрирует совершенно противоположные свойства в зависимости от воздействия. При резком воздействии пластилин ведет себя как твердое тело, а если оставить его в покое, он начинает растекаться, как жидкость. Это означает, что вязкость такого пластилина зависит от скорости воздействия и увеличивается.

Эксперимент № 3 «Изучение некоторых физических свойств неньютоновских жидкостей»

Для изучения свойства мы взяли смесь крахмала с водой полученной в предыдущем эксперименте, жидкое мыло и подсолнечное масло.

Цель: опытным путём определить плотность, время заморозки, коэффициент поверхностного натяжения и коэффициент вязкости.

Оборудование: смесь крахмала с водой, жидкое мыло, подсолнечное масло, спиртовка, стеклянная трубка, шприц, мензурка, секундомер, шарик.

В ходе данного эксперимента было измерено время замораживания, а также рассчитана плотность жидкостей с использованием формулы. Объем был определен с помощью мерного стакана, а массу — с использованием весов. Масса смеси была взята без учета веса стакана. После подстановки значений была получена плотность.

Табл. №1 «Свойства неньютоновской жидкости»

Свойства жидкости

m,г

V,см3

Время заморозки, мин

Плотность

Смесь крахмала с водой

100

9

45

1,11 г/см3

Жидкое мыло

100

12

55

0,83 г/см3

Подсолнечное масло

100

11

Не закристаллизовалось, но стало более вязким

0,9 г/см3

Вывод №3: В ходе данного эксперимента мы исследовали несколько свойств неньютоновских жидкостей при комнатной температуре. Результаты, представленные в таблице и на графике, показывают, что плотность и время замораживания зависят от типа жидкости.

1. Наибольшая плотность наблюдается у смеси крахмала с водой, затем идет жидкое мыло, а за ним — подсолнечное масло.

2. Время замораживания наибольшее у подсолнечного масла, за ним следует жидкое мыло и смесь крахмала с водой.

Таким образом, результаты подтверждают, что плотность и время замораживания зависят от типа жидкости.

2.3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В ходе выполненной работы были осуществлены следующие шаги:

1. Проведен обзор теоретических источников информации.

2. Проведено анкетирование.

3. Реализована серия экспериментов с неньютоновской жидкостью.

4. Изучены некоторые физические свойства неньютоновской жидкости, такие как плотность и время замораживания.

5. Рассмотрены области применения неньютоновских жидкостей.

6. Первоначальная гипотеза подтвердилась: неньютоновская жидкость представляет собой смесь, обладающую свойствами как обычных жидкостей, так и особыми характеристиками.

Неньютоновские жидкости не подчиняются законам, характерным для обычных жидкостей; они изменяют свою плотность и вязкость под воздействием механических сил. Эти уникальные свойства открывают широкие возможности для применения неньютоновских жидкостей в различных сферах жизни, начиная от борьбы с терроризмом и заканчивая развивающими игрушками для детей, а также их использованием в медицине и косметологии.

Более глубокое знакомство с неньютоновскими жидкостями можно получить на факультативах и кружках по физике, что поможет развить интерес к предмету, расширить кругозор учащихся и применить полученные знания на уроках физики, а также развить творческие способности детей.

Вокруг нас много удивительных явлений, и неньютоновская жидкость является ярким примером этого. Я надеюсь, что мне удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

ЛИТЕРАТУРА

Методические материалы:

  1. А. В. Перышкин. Физика 7 класс [Текст], Дрофа, Москва 2020 г

  2. Тютиков А. В. Загадки неньютоновской жидкости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://journal.ru/articles/188/

  3. Гаврилов А. А., Модель течений неньютоновских жидкостей с твердыми
    В книге: Математические проблемы механики сплошных сред. Тезисы докладов Всероссийской конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения академика РАН Л.В. Овсянникова. Новосибирск, 2024. С. 39.

  4. Е. И. Борзенко, Г. Р. Шрагер, Течения неньютоновской жидкости со свободной поверхностью, 2022. - 209 с

  5. «Применение неньютоновских жидкостей в промышленности» - обзор применения неньютоновских жидкостей в различных отраслях. https://byjus.com/gate/non-newtonian-fluids/

  6. Семенов К. Д.,Влияние реологических свойств неньютоновских жидкостей на реверс кривых ОФП при течении в пористой среде. В книге: Нефть и газ - 2024. Тезисы докладов 78-ой Международной молодежной научной конференции. Москва, 2024. С. 303-304.

  7. Свойства неньютоновских жидкостей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html

  8. У. Л. Уилкинсон «Неньютоновские жидкости», [электронная книга]- М.: Мир, 1964.- 216 с.

  9. «Физика в школе» [Текст].- научно – методический журнал, 2023.

  10. Физические свойства жидкости [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.hifhexpert.ru/content/liguids_properties.html

  11. Загадки неньютоновской жидкости, https://idaten.ru/other/zagadki-nenutonovskoi-jidkosti

  12. «Реология неньютоновских жидкостей» - статья, в которой обсуждаются различные модели и поведение неньютоновских жидкостей. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25965147/

  13. «Применение неньютоновских жидкостей в промышленности» - обзор применения неньютоновских жидкостей в различных отраслях. https://byjus.com/gate/non-newtonian-fluids/

Просмотров работы: 111