V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение понятия неньютоновской жидкости, изучение её свойств Определение применения неньютоновских жидкостей на практике
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.
Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Я заинтересовался необычными свойствами таких жидкостей и провел несколько опытов.
Цель работы: наглядно показать свойства неньютоновских жидкостей.
Задачи:
1. Узнать что такое жидкость.
2. Узнать в чем отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей и почему их так назвали.
3. Провести опыты с ньютоновской и неньютоновской жидкостью.
4. Проверить защитные свойства неньютоновской жидкости.
5. Узнать области применения неньютоновских жидкостей.
Гипотеза: свойства неньютоновской жидкости будут отличаться от привычных нам жидкостей, например воды. И эти свойства можно использовать в жизни.
1. Определение понятия жидкость. Виды жидкостей.
Сначала нужно разобраться, что такое жидкость вообще. Жидкость это одно из состояний вещества. Таких состояний три, их еще называют агрегатными, это газ, жидкость и твердое вещество. Так вот жидким вещество называют, если оно обладает свойством неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём.
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.
Нью́тоновская жи́дкость — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона. Ньютоновская жидкость названа в честь Исаака Ньютона, который открыл закон вязкого трения для жидкостей. Исаак Ньютон (1643-1727) — английский математик, механик, астроном и физик, создатель классической механики. Один из основоположников современной физики, сформулировал основные законы механики и был создателем единой физической программы описания всех физических явлений на базе механики. Открыл закон всемирного тяготения, объяснил движение планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли, а также приливы в океанах. Например, вода является ньютоновской жидкостью, потому что она продолжает демонстрировать свойства жидкости вне зависимости от скорости перемешивания.
Свойства ньютоновской жидкости:
Текучесть
Сохранение объёма
Вязкость
Смачивание
Смешиваемость
Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от скорости воздействия. Такие жидкости называют неньютоновскими. Пример - сгущенка, некоторые строительные растворы, мёд... Чем сильнее и быстрее их перемешиваешь, тем легче это делать. А начать бывает трудно. Соответственно, неньютоновская жидкость – это жидкость, на которую не действуют законы Ньютона. Если же жидкость не подчиняется этому закону, она считается неньютоновской.
2. Приготовление неньютоновской жидкости в домашних условиях, изучение ее некоторых свойств. 2.1 Приготовление неньютоновской жидкости
Для приготовления неньютоновской жидкости, нам потребуется следующее: 200 грамм воды и 300 грамм картофельного крахмала, ёмкость. (рис.1)
Рис.1.
Далее нам нужно: взять крахмал и насыпать его ёмкость, налить небольшое количество воды и размешать с помощью палочки. (рис.2)
Рис.2.
Постепенно подливать воду и мешать, пока не получится однородная масса. Эта жидкость и будет для нас примеромненьютоновской. (приложение 1)
2.2. Демонстрация основных свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей.
Для демонстрации свойств неньютоновской жидкости проделаем несколько опытов.
Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость, пока мы - будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы. (Рис.3)
Рис.3.
Попробовал ударить по полученной смеси, пробить ее не удалось, но при медленном погружении ладонь спокойно проходит сквозь смесь. (рис.4)
Рис.4.
Вода, как и положено ньютоновской жидкости растекается от усилий, неньютоновская жидкость под воздействием сил ведет себя как твердое тело.
2.3. Демонстрация защитных свойств неньютоновской жидкости.
Проделаем еще один опыт с обычной жидкостью и неньютоновской. Для этого нам понадобятся яйца, прочные пластиковые пакеты, вода и неньютоновская жидкость. (рис.5)
Рис.5.
Наполняем пакет водой, опускаем в него яйцо и крепко завязываем. После этого позволим пакету упасть с высоты около 2х метров. Яйцо разбилось. (рис.6)
Рис. 6.
Повторим этот опыт с неньютоновской жидкостью. При падении с высоты 2 метра яйцо не разбилось. (Рис.7, 8)
Рис.7 Рис.8
Этот опыт показывает, что при ударе неньютоновской жидкости о пол, один ее слой становится твердым, следующий становится плотным, а чем дальше от пола, тем более жидкий. Яйцо благодаря распределению плотности погасило скорость падения и не разбилось.
3. Применение неньютоновских жидкостей на практике
В нашем опыте, мы убедились, что у неньютоновских жидкостей есть ряд уникальных свойств, которые можно применить на практике.
Наиболее важными, на мой взгляд, являются защитные свойства неньютоновской жидкости.
Одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости. Таким образом, на смену кевлару может прийти жидкость. Работу в этом направлении сегодня ведут польские ученые из Института технологий безопасности Moratex. Жидкая броня от польских специалистов в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную волну по большой площади.
По словам польских специалистов, использование неньютоновской жидкости практически исключает вероятность рикошета из-за гораздо более эффективного рассеивания энергии удара. Это же означает, что носитель такого бронежилета почувствует при попадании в него пули меньшее воздействие. При ударе на высокой скорости поражаемый участок STF затвердевает мгновенно, эффективно рассеивая ударную энергию и защищая внутренние человеческие органы.
Группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. Когда на неё не действуют внешние силы, она течёт, как жидкость, но как только на нее накатывается колесо автомобиля, она моментально превращается в твердую, как асфальт, субстанцию. По словам разработчиков, неньютоновская жидкость пришла им в 15 голову из-за своей дешевизны (обычная грязь с водой и крахмалом - и та ведёт себя как неньютоновская жидкость) и особых физических свойств.
Для того чтобы защитить авиапассажиров, международная команда ученых разработала специальную «Жидкую» сумку-чехол содержащую неньютоновскую жидкость, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость может служить отличной "упаковкой" для потенциально взрывоопасных грузов, также основным преимуществом новинки являются вес и удобство.
Но применение находят и другие свойства неньютоновских жидкостей.
- В качестве смазочного материала неньютоновские жидкости обладают отчетливо выраженными преимуществами, в частности они создают защитную пленку смазочного материала, которая никогда не стекает с рабочих поверхностей двигателя.
- Неньютоновских жидкостей широко используются в нефтяной промышленности, где они участвуют во многих производственных процессах - перемещаются по гидравлическим системам различного назначения и конструкции и характеризуются при этом большим разнообразием химического состава и физических свойств.
- В косметологии, чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено.
- Продукты с большой вязкостью, например, соусы, используют в кулинарии. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте. Для этих целей используют масло, маргарин, майонез, йогурт и пр. Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд.
- Самая первая игрушка-лизун или слайм (slime) была сделана компанией Mattel в 1976 году. Игрушка-Лизун заслужила популярность благодаря своим забавным свойствам – одновременно текучести, эластичности и возможности постоянно трансформироваться. Обладающий свойствами неньютоновской жидкости, игрушка-лизун быстро стала безумно популярной у детей и взрослых. Лизуна можно было купить не везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях.
Заключение
Проведя практическое исследование, я на собственном опыте убедился, что образец неньютоновской жидкости можно изготовить в домашних условиях из подручных и безопасных ингредиентов.
Проведя опыты, я подтвердил гипотезу, что неньютоновская жидкость обладает уникальными свойствами, которые можно использовать в жизни.
У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни.
Список использованной литературы
1. https://ru.wikipedia.org/
2. https://topwar.ru/73725-nenyutonovskaya-zhidkost-v-kachestve-broni.html
3. https://masterok.livejournal.com/1205599.html.