V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Неньютоновская жидкость
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
…материал, который обладает удивительнымисвойствами: при малых нагрузках он мягкийи эластичный, а при больших – становитсятвердым и очень упругим.
Природа, быт, техника и всё то, что нас окружает и в нас самих происходит, подчинено единым законам происхождения и развития – законам физики.
Природа – настоящая физическая лаборатория, в которой человек должен быть активным наблюдателем, творцом, но не рабом природы, неспособным хотя бы приближенно объяснить наблюдаемые им природные явления. С самого рождения каждый человек знакомится с веществами, окружающими его, подрастая, человек начинает отличать разного рода жидкости от газов или твёрдых тел, понимая, какие отличительные свойства присущи веществам. В малом возрасте ребёнок не сильно задумывается над этими интересными признаками, не понимает, почему вода – это жидкость, а снег – твёрдое 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, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства.
Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически 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. Жидкости делят на идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
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 заинтересовалась необычными свойствами таких жидкостей и провела исследования для определения свойств и особенностей неньютоновской жидкости.
Цель: изготовить и исследовать свойства неньютоновской жидкости.
Объект исследования: неньютоновская жидкость.
Предмет исследования: область применения и свойства неньютоновской жидкости, способы получения и исследование свойств неньютоновской жидкости.
Задачи:
Узнать, что такое неньютоновская жидкость.
Выяснить область применения и свойства неньютоновской жидкости.
Определить концентрацию компонентов для наблюдения свойств неньютоновской жидкости.
Изготовить и исследовать свойства неньютоновской жидкости.
Гипотеза: возможно ли, что жидкость при определенных условиях может изменять свои свойства, обладать свойствами пластичного или твердого тела.
Методы исследования: аналитический, описательный, практический.
Практическая значимость исследования: изготовленнаяненьютоновская жидкость и исследование ее свойств расширяет кругозор, позволяет углубить знания по физике.
Глава I. Теоретическая часть
Жидкость – это одно из состояний вещества. Таких состояний три, их еще называют агрегатными, это газ, жидкость и твердое вещество. 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.
Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью объёма под воздействием внешних сил. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.
К ньютоновским относятся однородные жидкости. Ньютоновская жидкость – это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние (жидкое), что бы вы с ними не делали.
Другое дело – это неньютоновские жидкости. Их особенность заключена в том, что их текучие свойства колеблются в зависимости от скорости ее тока.
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. В своих наблюдениях 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. Исторически, эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии.
Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими. Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.
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 даже звуковыми волнами и электромагнитными полями. Если воздействовать механически на обычную жидкость, то, чем большее 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, мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.
Глава II. Исследовательская часть
Исследование №1 «Получение неньютоновской жидкости»
Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.
Оборудование: вода, крахмал, три чаши.
Ход работы:
В отдельных чашах смешала воду и крахмал в долях вещества: 1:1,1:1,5,1:2 в пользу крахмала.
Получилась белая жидкость.
Заметила, что в соотношении 1:2 проявляются интересные свойства жидкости. Если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет.
Исследование №2 «Свойства неньютоновской жидкости»
Цель: исследовать свойства изготовленной неньютоновской жидкости.
Оборудование: емкости с неньютоновской жидкостью.
Ход работы:
Получившуюся жидкость налила в руку и попробовала скатать шарик.
При воздействии на жидкость, пока я скатывала шарик, в руках получался твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее я на него воздействовала, тем плотнее и тверже был шарик.
В емкость со смесью медленно ввела руку, ощущения были такие же, как если бы опустила руку в воду. Но если резко опускать руку, как будто ударять по этой смеси, то рука отскочит, как от твёрдого вещества.
Если лить такую смесь с достаточной высоты, то в верхней части струи она будет течь, как жидкость. А в нижней части - скапливаться комками, как твёрдое вещество.
Опустила руку в жидкость и резко сжала пальцы. Почувствовала, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка.
Опустила руку в неньютоновскую жидкость и резко попыталась её вытянуть. Емкость с жидкостью поднимется вслед за рукой.
Вывод: если на неньютоновскую жидкость с силой воздействовать, то она приобретает свойства твердого вещества. Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде хаотически сплетенных молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешнее воздействие, как упругая пружина. При медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться. Сетка рвется и молекулы расходятся.
Исследование №3 «Течение вязкой жидкости»
Цель: пронаблюдать за течением неньютоновской жидкости.
Оборудование: мед, емкость.
Ход работы:
1. Выливала мед из банки в тарелку с высоты от 5 до 20 см.
2. На расстоянии 12 см. от тарелки струйка жидкости начинает накручиваться колечками или складываться складками, образуя «жидкий канат». Почему возникают такие колечки?
Вывод: падая и ударяясь о поверхность такой же жидкости в тарелке, струйка сжимается, что заставляет ее выгибаться вбок. При этом струйка не может разорваться и если количество падающей жидкости больше, чем может сразу поглотить жидкость, находящаяся внизу, то струйка начинает завиваться.
Диаметр и скорость образования «намотки» определяются толщиной струйки: чем толще струйка, тем крупнее кольца или складки, тем медленнее происходит «намотка».
Исследование № 4 «Пакет с яйцом»Цель:пронаблюдать за течением неньютоновской жидкости.
Оборудование:прочные пластиковыепакеты,вода, яйцо, неньютоновская жидкость.
Ход работы:
Наполнила пакет водой, опустила в него яйцо и крепко завязала. После этого бросила его с высоты около метра. Яйцо разбилось.
Наполнила пакет неньютоновской жидкостью, опустила в него яйцо и крепко завязала. Бросила его с высоты. При падении с высоты 1 метр яйцо не разбилось, при падении с высоты 2 метра – не разбилось!
Вывод: при ударе неньютоновской жидкости о пол самый нижний ее слой становится твердым, следующий слой становится менее плотный и чем дальше слой от пола, тем более жидкий. Яйцо, благодаря распределению плотности, уменьшает скорость падения и не разбивается.
Исследование № 5 «Бутерброд»
Цель: пронаблюдать, как будет вести себя масло при намазывании его слоями.
Оборудование: хлеб, масло, нож.
Ход работы:
1. Намазываем масло на хлеб.
2. Масло под действием ножа размазывается, его вязкость уменьшается при увеличении нагрузки. Масло - пример неньютоновской жидкости.
Вывод: вязкость жидкости уменьшается при деформации сдвига. Причиной служит изменение молекулярной конфигурации жидкости под действием сдвига. Длинные молекулы ориентируются вдоль линий потока, создаваемого при сдвиге. В результате вязкость масла уменьшается. Когда сдвигающее усилие снимается, молекулы восстанавливают свою прежнюю ориентацию, и вязкость увеличивается.
Исследование № 6 «Изготовление игрушки – лизуна»
Цель: изготовить в домашних условиях игрушку - лизун из неньютоновской жидкости.
Оборудование: чаша, вода, клей ПВА, тетраборат натрия, краситель, палочка для смешивания.
Ход работы:
Налила в чашу клей ПВА, добавила 0,5 стакана обычной воды комнатной температуры.Клея для игрушки понадобилось примерно около 100 г.
Добавила краситель. В качестве красителя использовала несколько капель зеленки. Можно использовать пищевой краситель.
Растворила столовую ложку тетрабората натрия (приобрела в аптеке) в стакане воды.
Тщательно перемешала все ингредиенты до получения желеобразной однородной массы.
Вывод: загустевшая субстанция и есть игрушка - лизун. Ее можно выложить на стол, помять и проверить все ее оригинальные свойства.
Применение неньютоновской жидкости
Применение в косметологии
Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.
Применение в кулинарии
Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и, чтобы ее 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. 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.
Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд. Например, йогурт или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.
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.
Применение в технике
Неньютоновские жидкости используются в автопроме, 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 двигателе.
Заключение
Что такое неньютоновская жидкость, какие виды и формы она имеет, какими обладает свойствами и как они проявляются, где применяется в повседневной жизни. На эти и другие вопросы я нашла ответы, выполняя данную работу. Научилась изготавливать в домашних условиях неньютоновскую жидкость. Убедилась, в том, что использование неньютоновской жидкости играет важную роль в нашей жизни: науке, промышленности, кулинарии и во многих других областях.
Моя гипотеза подтвердилась. Жидкость действительно может изменять свои свойства, обладает свойствами пластичного или твердого тела.
Ценность моей работы заключается в самостоятельном создании неньютоновской жидкости, изучении её свойств, определении оптимальной концентрации смеси.
Список использованной литературы
1. Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org)
2. Физика. А.В.Перышкин 7 класс, Дрофа, Москва 2016г.
3. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 2010г.
4. Физический фейерверк Уокер Дж.: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. – М.: Мир, 1998.
5. Неньютоновские жидкости Уилкинсон У. Л., , пер. с англ., М. Мир , 1964.