V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Неньютоновская жидкость вокруг нас
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как вы себе представляете жидкость? Какими свойствами она должна обладать? В первую очередь, наверное, она должна литься, растекаться и так далее, а уж никак не выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение, но не все в нашем мире так просто, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно - неньютоновские жидкости.Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силы, причем не только механическим воздействием, но даже звуковыми волнами и электромагнитными полями.
Актуальность: Жидкость окружает везде и всегда. 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. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.
Цель работы: Для чего стоит изучать неньютоновскую жидкость?
Задачи работы:
Узнать что такое жидкость.
Узнать в чем отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей.
Провести опыты с неньютоновской жидкостью.
Узнать области применения неньютоновских жидкостей
Гипотеза: Если изучим свойства Неньютоновской жидкости, то сможем расширить знания о ней и использовать её в разных сферах нашей жизни.
Основополагающий вопрос: Для чего стоит изучать неньютоновскую жидкость?
Творческое название: Удивительные жидкости вокруг нас.
Проблемные вопросы:
Что такое Неньютоновская жидкость?
В чем назначение Неньютоновской жидкости?
На что способна Неньютоновская жидкость?
Какова роль Неньютоновской жидкости в жизни человека?
Методы исследования: наблюдение, эксперимент, теоретический метод (изучение литературы).
При выполнении работы опирались на Интернет-ресурсы, учебники и энциклопедии по физике.
Данная работа рассматривает вопросы агрегатных состояний вещества, неньютоновской жидкости, применения в разных отраслях промышленности. Изучив теоретические данные поставленной перед на нами проблемы, мы провели эксперимент(7 опытов и опрос)
Считаем, что поставленные перед собой цель и задачи выполнили.
Помимо этого в «Приложении» мы собрали и оформили основные определения.
Основная часть (теоретическое исследование)
Глава 1. Агрегатные состояния вещества.
Как известно, многие вещества в природе могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Сильнее всего проявляется взаимодействие частиц вещества в твердом состоянии. Расстояние между молекулами примерно равно их собственным размерам. Это приводит к достаточно сильному взаимодействию, что практически лишает частицы возможности двигаться. Свойства жидкостей также объясняются их строением. Частицы вещества в жидкостях взаимодействуют менее интенсивно, чем в твердых телах, и поэтому могут скачками менять свое местоположение . Газ представляет собой собрание молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. Газы не имеют собственной формы, занимают весь предоставляемый им объем и легко сжимаются.
Закон Ньютона.
Еще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее нежели, если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее. Ньютон пришел к изучению течения жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной система посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. Он установил, что если поддерживать вращение цилиндра, то оно постепенно передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие одинаковое распространение. Глава 2. Неньютоновская жидкость.
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.
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. Если воздействовать механически на обычную жидкость, 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. Пример - сгущенка, некоторые строительные растворы, мёд. К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.
Классификация неньютоновских жидкостей.
Примеры неньютоновской жидкости.
«Зыбучий песок»
Зыбучий песок, пример так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойствами, характерными как для твердых объектов, так и для обыкновенных жидкостей.
Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет. Место, где притаились зыбучие пески, отличить от обычной твердой почвы довольно трудно. Солнце просушивает верхний слой топкой поверхности, что приводит к образованию тонкого пласта земли, на котором начинает расти трава. Вот так возникает природная ловушка, в которую может попасть любой.
Плывуны
Плывуны — это насыщенные водой грунты, при вскрытии приобретающие свойства вязкой жидкости. Они представляют собой большую опасность при выполнении строительных работ. Если плывуны вскрываются подземными выработками, то они сравнительно быстро заполняют её, а вышележащие массы начинают сдвигаться и тоже приходят в движение.
Глава 3. Применение в разных отраслях промышленности.
Неньютоновские жидкости с каждым годом все больше завоевывают наш мир. Ученым нравится этот материал, и они с завидным постоянством радуют нас новыми интересными идеями применения неньютоновских жидкостей, таких, например как «Жидкая сумка». Для того чтобы защитить авиапассажиров, международная команда ученых разработала специальную сумку-чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета.
«Мешки заплатки»
Группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. По словам разработчиков, 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.
«Жидкий бронежилет»
Новый тип бронежилета создали специалисты из британской компании BAE Systems. Они предложили использовать особую жидкую субстанцию, которая будет заполнять пространство между слоями кевлара. Жидкость будет гасить удар, распределяя импульс по всему бронежилету. Из чего состоит субстанция, специалисты BAE Systems не сообщили.
Применение в косметологии
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. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
Применение в кулинарии
Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания.
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.
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, густая и 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. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего 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 тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать.
Практическое исследование.
1.Опрос: Мы провели опрос, чтобы узнать какую косметику для ухода за кожей используют подростки и важны ли для них консистенция и состав продукта. В ходе работы было опрошено 25 учеников нашей школы. Возрастная группа: 14-16 лет.
Вывод: В возрасте 14-16 лет подростки активно пользуются средствами по уходу за собой.
Популярностью пользуются марки: Nivea, Avon, Чистая линия, Dove
Опрос показал, что подросткам важна консинстенция продукта. Следовательно, косметические компании могут и зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
Опыт 1. Приготовление неньютоновской жидкости в домашних условиях
Для приготовления жидкости понадобятся: Крахмал, вода
фото 1
Смешайте в миске крахмал и воду для получения сметанообразной массы. Вымешивайте смесь постепенно добавляя воду. Причем: меньше воды – неньютоновская жидкость дольше находится в
Фото 2
твердом состоянии, много воды – очень быстро становится жидкой. Надо найти баланс между этими двумя состояниями. Смешайте в миске крахмал и воду для получения сметанообразной массы. Вымешивайте смесь постепенно добавляя воду.
Опыт 2. Жидкость прочнее стали
Для осуществления опыта нам понадобятся:
Молоток, Приготовленная нами неньютоновская жидкость.
Поместите неньютоновскую жидкость в удобную чашу. Ударьте по жидкости молотком.
Результат: Чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю мембрану неньютоновской жидкости(фото 4), тем большее сопротивление мы будем получать взамен. Но стоит только замедлиться, молоток увязнет в жидкости.(фото 3)
фото 3 фото 4
Опыт 3. Защитные свойства неньютоновской жидкости
Для осуществления опыта нам понадобятся: Пакет, заполненный водой, Пакет, заполненный неньютоновской жидкостью, Два Яйца.
Фото 5 Ход работы
Наполняем 1 пакет водой. А другой неньютоновской жидкостью, опускаем в них яйца и крепко завязываем. Позволим пакетам упасть с одинаковой высоты. (фото 6)Яйцо, которое было в пакете с водой разбилось, а яйцо которое было в пакете с неньютоновской
жидкостью, осталось невредимым. Повторим опыт с неньютоновской жидкостью и бросим пакет с возвышенности. А теперь подбросим пакет(фото 5) фото 6
Результат: Сколько бы мы не старались, разбить яйцо, которое находилось в пакете с неньютоновской жидкостью, нам не удалось. Этот опыт показывает, что при ударе неньютоновской жидкости о земную поверхность, один ее слой становится твердым, следующий становится плотным, а чем дальше от поверхности тем более жидкий. Яйцо благодаря распределению плотности погасило скорость падения и не разбилось. Опыт показал, что неньютоновская жидкость обладает защитными свойствами.
Опыт 4. Создание защитного чехла для телефона
Для защитного чехла для телефона нам понадобятся: Неньютоновская жидкость, Клей-момент, Ненужный чехол для телефона, Целлофановый пакет или обложка
Ход работы: Расположим на файле ненужный чехол для телефона и фломастером обведем его контур. Затем аккуратно вырежем и прочно склеим края файла. Важно, чтобы одна из сторон осталась несклеенной.
Приклеим файл на чехол, и зальем в него неньютоновскую жидкость.
Фото 7 фото 8
Результат: У нас получился отличный защитный чехол(фото 7), сколько бы не падал мой телефон, разбить его нам не удалось(фото 8). В спокойном состоянии молекулы неньютоновской жидкости довольно свободно перемещаются относительно друг друга. Однако в момент падения телефона они соединяются друг с другом, поглощая его энергию и равномерно распределяя ее по всему материалу. Получается, что до самого устройства ударная волна практически не доходит и оно остается в сохранности.
Опыт 5. Антистресс из Неньютоновской жидкости
Для приготовления антистресса нам понадобятся: Шарики, Неньютоновская жидкость, Воронка, файл
Ход работы: Приготовим неньютоновскую жидкость.Зальем неньютоновскую жидкость в файл и отрежем уголок. Затем, с помощью воронки наполним шарик этой жидкостью. Завяжем шарик.
Результат: Мы сделали 2 антистресса, один получился более мягким и податливым, а другой более упругим. Срок годности такой игрушки недолговечен – около недели.
Опыт 6. Мастика.
Для приготовления мастики нам понадобятся: Зефир, Картофельный крахмал, Сахарная пудра
Фото 9
Ход работы: Смешиваем крахмал с сахарной пудрой в соотношении 1 к 2. ( 50 гр. крахмала, 100 гр. пудры). Перемешиваем. В микроволновую печь помещаем зефир
(5 штук) на 1 минуту. Смешиваем зефир с крахмалом и сахаром. Ставим в холодильник на 1 час.
Результат: У нас получилась отличная кулинарная мастика(фото 9) (по консистенции чем-то напоминает жвачку для рук) – прекрасный декоративный и съедобный материал для тортов и простых пирогов и кексов. Так же в мастику можно добавить пищевые красители, чтобы получить нужный вам цвет
Эксперимент . Мешок-заплатка для починки дорожной ямы
Ход работы: Для эксперимента мы наполнили пакет неньютоновской жидкостью и поместили его в небольшую яму. (фото 10)
Фото 10
В отсутствие внешнего давления пакет с неньютоновской жидкостью растекается, заполняя яму и образуя гладкую поверхность. Но как только на неё наезжает колесо автомобиля, она превращается в твердую, как асфальт, субстанцию.(фото 11) Фото 11
Никаких проблем использование мешков-заплаток не вызвало. Содержащаяся в них жидкость подобрана устойчивой как к зимним температурам, так и к солям дорожных реагентов. Более того, по расчётам, мешки можно использовать сотни раз.
Опыт 7. Приготовление ферромагнитной жидкости Фото 12
Для приготовления ферромагнитной жидкости нам понадобятся:
Металлические опилки, Растительное масло, Магнит
Ход работы: Первым делом нужно высыпать металлические опилки в емкость. После этого нужно добавить совсем немного растительного масла.(фото 13) Затем тщательно перемешить все. Через полторы-две минуты перемешивания магнитная жидкость будет готова.
фото 13
Результат : Так как, металлические опилки способны намагничиваться, магнитными частицами можно управлять с помощью внешнего магнитного поля(фото 12). Опытным путём показали, что магнитные частицы – материал для осуществления различных манипуляций. Обладая необычными свойствами, ферромагнитная жидкость очень интересна для изучения и перспективна с точки зрения практической науки
Заключение
Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.По итогам работы были выполнены все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. Проведенные опыты и презентация проиллюстрировали цель проделанной нами работы.
Считаю, что созданную нами работу можно использовать, как ученикам (как учебное пособие), так и учителям
Список литературы
Интернет ресурсы
http://ru.wikipedia.org
http://www.google.ru
http://masterok.livejournal.com/1205599.html
http://www.officeplankton.com.ua/main/bassejn-attrakcion-na-kotorom-mozhno-xodit-po-vode.html
http://create-play.blogspot.ru/2013/01/NonNewtonianfluidexperiments.html
usamodelkina.ru
Литература
Н.С. Пурышева Физика 8 класс, Дрофа, Москва 2008 г.
Зарембо Л.К., Болотовский Б.М., Стаханов И.П. и др. Школьникам о современной физике. Просвещение,2006г.
Кабардин О.Ф., Физика, справочные материалы, Просвещение, 1988
Приложение
Зыбу́чий песо́к — пески, перенасыщенные воздухом (газом или горячими парами, в пустыне), влагой восходящих источников и способные вследствие этого засасывать вглубь попадающие на них предметы и животных; разнообразны по своей природе, но всегда лишены мелкозёмистой примеси. Благодаря испарению или тонкой плёнке воды, обволакивающей песчинки, сцепление между ними мало.
Идеа́льная жи́дкость —воображаемая жидкость (сжимаемая или несжимаемая), в которой отсутствуют вязкость и теплопроводность. Так как в ней отсутствует внутреннее трение, то нет касательных напряжений между двумя соседними слоями жидкости.
Реальная жидкость - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Нью́тоновская жи́дкость — (названная так в честь Исаака Ньютона) — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости в такой жидкости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость.
Слайм — (англ. Slime) — игрушка, впервые выпущенная компанией Mattel в 1976 г. Состоит из вязкого желеобразного материала, обладающего свойствами неньютоновской жидкости. Основным компонентом слайма, выпущенного Mattel в 1976 году, была гуаровая камедь.
Handgum, хэндгам — (ручная жвачка, жвачка для рук) — пластичная игрушка на основе кремнийорганического полимера, созданная в 1943 году шотландским учёным Джеймсом Райтом.
Каучу́ки — натуральные или синтетические эластомеры, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами, из которых путём вулканизации получают резины и эбониты.
Плыву́н — насыщенный водой грунт (обычно песок или супесь), который способен разжижаться под механическим воздействием на него, при вскрытии его котлованами и другими выработками.Также про плывун можно сказать, что это герметичный объём в толще грунта, в котором под давлением находятся мелкие и пылеватые пески, насыщенные водой. Его толщина варьируется от 2 до 10 м. Плывуны чаще всего встречаются в болотистых местах и имеют вытянутую форму.