VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование свойств Неньютоновской жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Ни один человек не может уйти от реального материального мира, окружающего его и в котором он сам живёт. Природа, быт, техника и всё то, что нас окружает и в нас самих происходит, подчинено единым законам происхождения и развития – законам ФИЗИКИ.
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. Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает нас 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.
Актуальность исследования заключается в том, что эти жидкости находятся вокруг нас, но мы о них ничего не знаем. Примером являются: глинистые растворы, нефтепродукты, растворы полимеров, краски. Меня заинтересовала эта жидкость. Мы на уроках изучаем состояния тел, но то, что представляет из себя неньютоновская жидкость, мы не знали из курса физики.
Цель: получить неньютоновскую жидкость и изучить некоторые физические свойства неньютоновской жидкости
Задачи: - изучить разновидности жидкостей;
-изучить свойства неньютоновской жидкости;
- экспериментально показать свойства неньютоновской жидкости
- составить сравнительную таблицу свойств ньютоновской и неньютоновской жидкости.
Объект исследования - неньютоновская жидкость.
Предмет исследования - свойства неньютоновской жидкости.
Методы исследования:
Анализ литературы и ресурсов Интернет.
Опыты.
Наблюдения.
Сравнение свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей.
Гипотеза исследования:
Я предполагаю, что неньютоновская жидкость - это вещество, находящееся в промежуточном состоянии между обычной жидкостью (ньютоновской) и твердым телом, и обладающее особыми свойствами, отличными от свойств ньютоновской жидкости.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Характеристика жидкого состояния.
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. Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью, а объёме 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.
Ньютоновская и неньютоновская жидкости.
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, что бы вы с ними не делали (если речь не идет об испарении или замораживании, конечно).
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.
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, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости
Применение неньютоновской жидкости.
Применение неньютоновских жидкостей На сегодняшний день неньютоновские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека рассмотрим некоторые из них:
В военном масштабном производстве. В США на базе данных жидкостей, министерство обороны запустило производство универсальных бронежилетов для военных. Эти приспособления по своим характеристикам значительно лучше обычных, так как легче по весу и намного проще в изготовлении. Материал, из которого состоят эти бронежилеты, называется d3o. Данное сырье относят к дилатантным ньютоновским жидкостям.
В автомобильной промышленности. Также неньютоновские жидкости применяются в автомобильной промышленности. Дизельные и моторные масла синтетического производства на основе изучаемых объектов постепенно уменьшают начальную вязкость в несколько десятков раз, при внезапном повышении оборотов двигателя, позволяя при этом в значительной степени уменьшить трение в моторе. Неньютоновские жидкости используют в новейших технологиях для осуществления качественной амортизации некоторых элементов механических машин. Реологические эксперименты позволяют решать сложные гидродинамические задачи.
В нефтепромышленности. Практический и особый интерес представляет также активное использование специфических реологических методов. Так, небольшие полимерные добавки к нефтепродуктам и воде оснащают жидкость новыми реологическими свойствами, благодаря чему мгновенно снижается гидравлическое сопротивление при стремительном турбулентном течении. Неньютоновские жидкости обладают рядом уникальных особенностей, благодаря которым снижение силы трения происходит быстро и легко.
В пожаротушении и мореплавание. В 50-е годы американские спасатели начали добавлять новые полимерные добавки в жидкость, которая вытекала из брандспойта, при этом длина струи возрастала в полтора раза. Можно также увеличить скорость судна посредством впрыскивания возле его носовой части малых количеств ньютоновского раствора. Имеется теория, что дельфины и другие обитатели океанов тоже «применяют» данный эффект для уменьшения нежелательного гидродинамического сопротивления.
В косметологии. Чтобы косметика смогла в течение длительного времени держаться на коже, ее необходимо сделать вязкой, будь это блеск для губ или жидкий тональный крем. В массовом производстве косметики часто используют специальные вещества, которые называются модификаторами итоговой вязкости. В домашней косметике для аналогичных целей применяют разные масла и воск.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Проведение экспериментов
Эксперимент №1
Цель: создание неньютоновской жидкости
Реактивы: крахмал картофельный, вода
Посуда: глубокая чашка, металлическая палочка
Ход работы:
1. Взять крахмал
2. Налить небольшое количество воды и размешать с помощью металлической палочки.
3. Постепенно подливать воды и мешать, пока не получится однородная масса.
Неньютоновская жидкость готова!
Эксперимент №2
Цель: исследование свойства текучести ньютоновской и неньютоновской жидкости
Реактивы: емкость с ньютоновской жидкостью, емкость с неньютоновской жидкостью
Ход работы:
Для проведения опыта я взяла два образца жидкости – емкость с ньютоновской жидкостью (водой) и неньютоновской жидкостью (смесь крахмала с водой).
При переливании сначала воды, затем крахмального раствора из одной емкости в другую, я заметила, что и та, и другая жидкость льется, однако, поднимая повыше емкость с крахмальным раствором, я увидела, что сверху эта жидкость льется, а ниже становится тверже, падает комками, которые потом растекаются.
Таким образом, и ньютоновская, и неньютоновская 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).
Эксперимент №3
Цель: исследование способности твердеть ньютоновской и неньютоновской жидкости при сжатии или ударе.
Реактивы: емкость с ньютоновской жидкостью, емкость с неньютоновской жидкостью
Ход работы:
1 опыт. Исследование свойств неьютоновской и неньютоновской жидкости при ударе кулаком.
Я резко ударила кулаком по жидкости, кулак остановился на поверхности раствора, не проникнув внутрь. Чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю «мембрану», тем большее сопротивление получаем взамен. Потом повторила все тоже самое с водой. При ударе резком ударе кулаком вода разбрызгалась во все стороны.
Опыт 2. Исследование свойств ньютоновской и неньютоновской жидкости при сжатии.
Медленно опустила в жидкость большой и указательный пальцы, резко их сжала, между пальцами получается твердый комочек.
Повторила тоже самое с водой – при сжатии между пальцами ничего не осталось.
Эксперимент №4
Цель: исследование свойства вязкости ньютоновской и неньютоновской жидкости.
Реактивы: емкость с ньютоновской жидкостью, емкость с неньютоновской жидкостью
Ход работы:
1 опыт. Размешивание неньютоновской жидкости.
При активном размешивании неньютоновская жидкость начинает становиться вязкой. Чем быстрее и сильнее перемешивать неньютоновскую жидкость, тем легче это делать, хотя начинать размешивать его трудно.
Обычная же жидкость (вода) при размешивании проявляет данное свойство незначительно.
2 опыт. Скатывание неньютоновской жидкости.
Крахмальный раствор налила в руку, он лежит в ладони лужицей. Быстрыми движениями скатала из раствора шарик. Пока я катаю шарик, в руках у меня твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее я на него воздействую, тем плотнее и тверже будет шарик. Как только я разжала руки, твердый шар тут же растекся по руке.
Это происходит потому, что после прекращения воздействия на него, неньютоновская жидкость проявляет свойства жидкого вещества (текучесть).
Повторила этот опыт с обычной водой-ничего не получилось.
Из этих опытов можно сделать вывод, что вязкость неньютоновской жидкости зависит от механических воздействий. Чем выше скорость воздействия, тем больше вязкость.
Эксперимент №5
Цель: исследование свойства прочности ньютоновской и неньютоновской жидкости.
Реактивы: емкость с ньютоновской жидкостью, емкость с неньютоновской жидкостью, желоб, металлический шарик.
Ход работы:
Опыт, который выявляет свойство прочности неньютоновской жидкости, заключается в скатывании шарика с желоба.
Я взяла небольшой желоб, шарик и емкости с водой и неньютоновской жидкостью.
Скатываю шарик с желоба сначала в воду, а затем в крахмальный раствор.
В воде шарик сразу тонет, она не оказывает сопротивление движению шарика. В неньютоновской жидкости шарик катится по поверхности, пока не остановится. Пока у шарика есть скорость, неньютоновская жидкость оказывает ему сопротивление и становится твердой, но как только шарик остановился, неньютоновская жидкость переходит в жидкое состояние.
Эксперимент №6
Цель: исследование свойства хрупкости ньютоновской и неньютоновской жидкости .
Реактивы: емкость с ньютоновской жидкостью, емкость с неньютоновской жидкостью
Ход работы:
Несмотря на проявление свойства прочности, некоторые виды неньютоновской жидкости, в том числе и крахмальная смесь, обладают свойством хрупкости (иначе свойством разрушаться) из-за того, что эта жидкость утрачивает свои свойства, когда из нее испаряется вода.
В этом я убедилась, понаблюдав за состоянием крахмальной смеси при комнатной температуре 20 С. Через несколько дней неньютоновская жидкость стала хрупкой, то есть начала разрушаться из-за испарения из нее воды.
Таким образом, и ньютоновская, и неньютоновская жидкость проявляют свойство испарение.
Анализ полученных результатов.
В результате проведенных опытов мной была составлена сравнительная таблица некоторых свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей
Таблица «Свойства ньютоновских и неньютоновских жидкостей»
|
№ |
Свойства |
Ньютоновские жидкости |
Неньютоновские жидкости |
|
1 |
Текучесть |
+ |
+ |
|
2 |
Способность твердеть при сжатии или ударе |
- |
+ |
|
3 |
Вязкость |
+ |
+ |
|
4 |
Прочность |
- |
+ |
|
5 |
Хрупкость |
- |
+ |
|
6 |
Испарение |
+ |
+ |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении своей исследовательской работы, цели и задачи, поставленные мною в начале, были достигнуты. Я узнала, что представляет собой неньютоновская жидкость, какими свойствами она обладает. Смогла рассчитать свойства жидкости: скорость течения жидкости и плотность. Первичная гипотеза подтвердилась.
Более подробно с неньютоновскими жидкостями при изучении физики можно познакомиться на факультативах и кружках по физике. Это позволит развить: интерес к предмету, кругозор учащихся, умение применить полученные знания на уроках физики, развить творческие способности детей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Зарембо Л.К. Школьникам о современной физике/ Л.К. Зарембо, Б.М. Болотовский, И.П. Стаханов и др.-М.: Просвещение,2006г.- 175с.
Кабардин О.Ф. Физика, справочные материалы/ О.Ф. Кабардин.-М.: Просвещение, 1988-177 с.
Перышкин А. В. Физика 7 класс/А.В. Перышкин.- М.: Дрофа, Москва, 2008 г.-220с.