XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Свойства неньютоновских жидкостей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Долгоржапов Э.Ч. 1

---

1МОУ "Челутайская средняя общеобразовательная школа"

Дармаева Ж.Ц. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Челутайская средняя общеобразовательная школа»

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Весьматериальный мир,наше развитие, все то, что происходитвнас и нас окружает подчиняется единым законам – законам Физики.Человек строит свою жизнь неотъемлемо от этих законов.

Природа является настоящей физической лабораторией, в которой человек должен быть любопытным исследователем, активнымнаблюдателем, творцом, способным хотя бы приближено объяснить наблюдаемые им природные явления.

Всю нашу жизнь нас окружают вещества, с которыми мы знакомимся с самого рождения. Подрастая, человек начинает отличать разного рода жидкости от газов или твердых тел, понимая, какие отличительные свойства присущи веществам. В малом возрасте ребенок не сильно задумывается над этими интересными признаками, не понимает, почему вода – это жидкость, а снег – твердое тело… Чем старше становится человек, тем шире становится область его знаний, тем глубже он понимает суть вещей. Так для каждого человека наступает момент, когда под понятием жидкость он будет понимать не просто молоко или же воду, но поймет, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства.

Актуальностьпроекта

Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкостьвезде и всегда. Мысостоим из жидкости, вода дает нам жизнь. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, умываемся, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Основным свойством жидкости является то, что она способна менять свою форму при механическом воздействии.

Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Однажды, в одной изтелепередач яувидел репортаж, посвященный изготовлению и исследованию неньютоновскойжидкости.Благодарясвоиминтереснымсвойствам–

одновременно текучести, хрупкости и эластичности, это «вещество» привлекло мое внимание, и я решил более подробно изучить его. Поэтому тема моей работы «Исследование свойств неньютоновских жидкостей».

Мыопределилицельизадачинашегоисследования.

Цельисследования:изучениенекоторыхсвойствненьютоновских жидкостей.

Задачиисследования:

1. Найти в источниках информации определение и описание ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

2. Найти рецепт изготовления неньютоновской жидкости и приготовить ее в домашних условиях.

3. Провести опыты, которые позволят выявить свойства неньютоновской жидкости.

4. Описать некоторые свойства неньютоновской жидкости и отличия от ньютоновской жидкости.

Объектисследования–неньютоновскаяжидкость.

Предметисследования–свойстваненьютоновскойжидкости.

Методыисследования:

1. ИзучениелитературыиИнтернетресурсов.

2. Проведениеопытов.

3. Наблюдения.

4. Сравнениесвойствньютоновскойиненьютоновскойжидкости.

Гипотезаисследования:

Мы можем предположить, что неньютоновская жидкость – это вещество, находящееся в промежуточном состоянии между обычной жидкостью (ньютоновской) и твердым телом, которое обладает особыми свойствами, отличными от свойств ньютоновской жидкости.

ОСНОВНАЯЧАСТЬ

1. Теоретическаячасть

   1. Характеристикажидкогосостояния

Что же такое жидкость с научной точки зрения? Жидкость-это одно из агрегатных состояний вещества. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым теломи газом: газ не сохраняет ни объем,ниформу,атвердоетелосохраняетито,идругое.Основнымсвойством жидкости является то, что она способна неограниченно менять свою формуподдействиеммеханическоговоздействияснаружи,дажеоченьмалом, практическисохраняя приэтом объем. Этосвойствоназывается текучестью. Другое важное свойство жидкостей - вязкость. Она определяется какспособность сопротивляться перемещению одной части жидкости

относительнодругойчастиподдействиемвнешнихсил[7,с.41].

Все обладающие вязкостью жидкости подразделяются на

ньютоновскиеиненьютоновские.

1. 2. Ньютоновскиеиненьютоновскиежидкости

Еще в конце 17 века великий физик Исаак Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее, нежели если это делать медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Таким образом, жидкости, которые подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими.

Ньютоновскимиявляется большая часть жидкостей, с которыми мы сталкиваемся в своей жизни (например, вода,шампунь, растительное маслои т.д.).

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость привоздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но даже звуковыми волнами и электромагнитными полями.Есливоздействоватьмеханическинаобычнуюжидкость,то,чембольшее

будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами, чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.

Примером таких жидкостей являютсямасляные краски, зубная паста, кровь, жидкое мыло, мед, майонез, сгущенка и др.

1. 3. Применениененьютоновскихжидкостей

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.

Применениеприпроизводствекосметики.

Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Блеск для губ, например, должен быть достаточно вязким, чтобы долго оставаться на губах, но не слишком вязким, иначе тем, кто им пользуется, будет неприятно ощущать на губах что-то липкое. В домашней косметикедля техже целей используют разные масла и воск. Вгеляхдля душа вязкость регулируют для того, чтобы они оставались на теле достаточно долго, чтобы смытьгрязь, но не дольше, чем нужно, иначе человек почувствуетсебя снова грязным. [5]

Наибольшаявязкость—умазей.Вязкостькремов—ниже,алосьоны

— наименее вязкие. Благодаря этому лосьоны ложатся на кожу более тонким слоем, чем мази и кремы, и действуют на кожу освежающе. По сравнению с более вязкой косметикой, их приятно использовать даже летом, хотя втирать их нужно сильнее и чаще приходится наносить повторно, так как они долго не задерживаются на коже. Кремы и мази дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее ее увлажняют. Мази намного дольше впитываются и после них кожа остается жирной, но они намного дольше остаются на теле. Поэтому их часто используют в медицине. [5]

Применение в кулинарии. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. [5]

Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте. В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин, или майонез — тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму. Самые известные примеры таких салатов — селедка под шубой и оливье. Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму. [4,5]

Применение в медицине. В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. По сравнению с кровью нормальной вязкости, густаяи вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, что ограничивает поступление питательных веществ и кислорода в органы и ткани, и даже в мозг. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы.Повреждаютсянетолькочаститела,которымнужнобольшевсего

кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелыхслучаяхпроисходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать. . [5,1]

В военном производстве. В мире очень популярны данные жидкости. В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных. Данные бронежилеты по своим характеристикам лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Если нажимать на такой бронежилет мягко – он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении скорости образуется мгновенная жесткая структура,– именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. Как только такая резкая нагрузка будет снята, бронежилет расслабится и будет опять мягким и эластичным. Последний на данный момент успешный проект «жидкостной брони» был создан английским отделением компании BAE Systems. Еще в 2010 году начались испытания готового опытного бронежилета на основе геля. Для этого обстреливались опытные и контрольные образцы. Испытания прошлиудачно. [5]

Поскольку при быстром воздействии неньютоновская жидкость реагирует как твердое тело, в дорожном строительстве предлагают следующее. В плотный мешок поместить неньютоновскую жидкость таким образом, чтобы толщина такого пакета не превышала толщину ямы на автодороге. При движении автомобилей, жидкость среагирует как твердое тело и перепад глубины не будет чувствоваться при езде. [4,5]

Изучив теоретический материал и выяснив, что такое ньютоновская и неньютоновская жидкости, мы решили исследовать некоторые свойства неньютоновских жидкостей на практике.

2. Практическаячасть.

2. 1. Изготовлениененьютоновскойжидкости

Однимизпримеровненьютоновскойжидкостиможетслужитьсмесь крахмала с водой, которую можно приготовить в домашних условиях.

Дляизготовленияненьютоновскойжидкостинампонадобились:

1. Крахмалкартофельный,вода.

2. Глубокаячашка,палочкадляразмешивания.

Крахмал насыпали в чашку, налили небольшое количество воды и размешали с помощью палочки (соотношение крахмала и воды примерно 1х2). Размешиваем до тех пор, пока не получится однородная жидкая масса.

Неньютоновскаяжидкостьготова!(см.Приложение№2)

2. 2. Исследование некоторых свойств неньютоновской жидкости опытным путем

Первоесвойство,котороемыисследовали–этотекучесть.

Для проведения опыта нам понадобилось следующее – емкость с ньютоновской жидкостью (водой)и неньютоновской жидкостью (смесь крахмала с водой).

При переливании сначала воды, затем неньютоновской жидкости из одной емкости в другую, мы можем заметить, что и та, и другая жидкость льется, однако, поднимая емкость с неньютоновской жидкостью выше, мы увидели, что эта жидкость становится тверже и падает комками, которые потом растекаются.

Таким образом, можно отметить что и ньютоновская, иненьютоновская жидкости обладают свойством текучести, только течение неньютоновской жидкости продолжается, если на нее не воздействовать механически (в данном случае при «ударе» неньютоновской жидкости о другую емкость жидкость проявила свойства твердого тела, а когда воздействие закончилось, она растеклась). (см. Приложение № 3)

Второе свойство, которое мы исследовали - это способность неньютоновской жидкости твердеть при сжатии или ударе.

Для проведения опыта, нам потребовались два полиэтиленовых пакета, два сырых яйца, вода и неньютоновская жидкость (крахмальная смесь).

Мы налили в один пакет воду, а в другой неньютоновскую жидкость, и поместили в каждый пакет сырое яйцо. Затем по очереди отпускали пакеты на столс высоты примерно один метр. В пакете с водой яйцо при ударе о стол разбилось, а в пакете с неньютоновской жидкостью яйцо осталось целым. Все дело в том, что при ударе о поверхность неньютоновская жидкость затвердела и сохранила яйцо внутри себя. (см. Приложение № 4)

Следующее свойство неньютоновской жидкости - это вязкость. Этосвойствоможнопродемонстрироватьнанесколькихопытах: Опыт. Скатывание неньютоновской жидкости.

Неньютоновскую жидкость налили в руку, она лежит в ладони лужицей. Быстрыми движениями скатали из раствора шарик, причем, чем быстрее и сильнее мы на него воздействовали, тем плотнее и тверже становился шарик.

Но как только мы разжали руку, твердый шар растекся. Неньютоновская жидкость после прекращения воздействия на нее проявила свойство жидкого вещества – текучесть. (см. Приложение № 5)

Из данных опытов можно сделать вывод, что вязкость неньютоновской жидкости зависит от механического воздействия. Чем выше скорость воздействия, тем больше вязкость.

Такое свойство неньютоновских жидкостей как вязкость нашло широкое применение в косметологии при изготовлении кремов, мазей, гелей для душа и т.д., а также в кулинарии при изготовлении вязких продуктов для того, чтобы блюда держали форму (майонез, сливочное масло, соусы и т.д.)

Следующеесвойствоненьютоновскойжидкости-прочность.

Опыт, который выявляет свойство прочности неньютоновской жидкости, заключается в воздействии на жидкость ложкой.

Мывзяликонтейнерсводойисненьютоновскойжидкостью. Били ложкой по воде, а затем по неньютоновской жидкости.

По окончанию опыта можно отметить следующее. В воде ложка сразу тонет, она не оказывает сопротивление ее движению. В неньютоновской жидкости ложка держится на поверхности. Пока она была в движении, неньютоновская жидкость оказывает ему сопротивление и становится твердой, но как только ложка остановилась, неньютоновская жидкость переходит в жидкое состояние и ложка тонет.

(см.Приложение№6)

Несмотря на проявление свойства прочности, некоторые виды неньютоновской жидкости, обладают свойством хрупкости (иначесвойством разрушаться) из-за того, что эта жидкость утрачивает свои свойства, когда из нее испаряется вода.

В этом мы убедились, понаблюдав за состоянием крахмальной смеси при комнатной температуре 20 С.Через 5 дней неньютоновская жидкость стала хрупкой, то есть начала разрушаться из-за испарения из нее воды. (см. Приложение № 7)

Таким образом, и ньютоновская, и неньютоновская жидкость проявляют свойство испарение.

В результате проведенных опытов, нами была составлена сравнительная таблица некоторых свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей (см. Приложение № 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наша гипотеза частично подтвердилась. Действительно неньютоновская жидкость – это вещество, которое может находиться как в жидком состоянии, так и в твердом, в зависимости от воздействия на него. Если на неньютоновскую жидкость воздействовать резко, сильно, быстро – она проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью, течет.

В начале работы мы предположили, что свойства неньютоновской жидкости отличаются от свойств ньютоновской жидкости. Это оказалось действительно так, но так же были выявлены и те свойства, которыми обладают и та, и другая жидкости. (см. Приложение № 1)

Практическаязначимостьпроведеннойнамиработызаключаетсявтом, что, изучив некоторые интересные и необычныесвойства неньютоновской жидкости, мы также могли бы заинтересовать одноклассников, ипровести классный час по даннойтеме. Тем самым повысивинтересктакой науке как физика, которая изучаетзаконы окружающего мира, но и возможно приведет к желанию изучать и другие темы, а так же проводить исследования.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Веселаянаука[Электронныйресурс].–URL:http://naukaveselo.ru/ svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html

2. Википедия–свободнаяэнциклопедия[Электронныйресурс].– URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Неньютоновская жидкость

3. Галилео СТС – Неньютоновская жидкость – You Tube [Электронныйресурс].-URL:https://www.youtube.com/watch?v=unfbSxDLYi4

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

5. Живая наука [Электронный ресурс]. - URL: http://livescience.ru/Статьи: Неньютоновская жидкость

6. Неньютоновские жидкости, Уилкинсон У.Л., [Текст] пер. с англ,, М., Издательство: Мир, 1964-216 с.

7. Энциклопедическийсловарьюногофизика/[Текст]Сост.В.А. Чуянов.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991.- 336 с.

Приложение№1

Таблица1.«Свойстваньютоновскихиненьютоновскихжидкостей»

Свойство жидкости	Ньютоновская жидкость	Неньютоно вская жидкость	Примечание
Текучесть	+	+	Примеханическомвоздействии наненьютоновскуюжидкость свойство пропадает
Способность твердетьпри сжатии или ударе	-	+	Уненьютоновскойжидкости свойство зависит от силы и скоростивоздействия
Вязкость	+	+	У ньютоновской жидкости незначительная,уненьютоновской значительнаяпримеханическом воздействии
Прочность	-	+	Уненьютоновскойжидкости свойство зависит от силы и скоростивоздействия
Хрупкость	-	+	Прииспаренииводыиз неньютоновскойжидкости
Испарение	+	+	Из-засодержанияжидкости

Приложение№2

Приложение№3

Приложение№4

Приложение№5

Приложение№6