Секрет неньютоновской жидкости

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Секрет неньютоновской жидкости

Тетерятникова В.А. 1
1МБОУ СОШ ШКОЛЫ №25 ИМ.П.К.Каледина
Ульянова  Е.А. 1
1МБОУ СОШ школы №25 им.П.К.Каледина
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Физика изучает явления, открывает законы, которым подчиняются эти явления, изучает мир, в котором мы живем. 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. Жидкости, которые мы привыкли наблюдать в повседневной жизни, подчиняются закону Ньютона, поэтому их и называют ньютоновскими. Каждый день мы находимся на кухне, готовим различные блюда и не задумываемся о том ,что можно провести много различных опытов. Один из таких опытов – неньютоновская жидкость. Если на нее воздействовать резко, сильно, быстро - она проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью. Мне захотелось узнать об удивительных свойствах жидкости, противоречащей законам физики.

Актуальность проекта:

В школах в курсе физики изучаются различные физические явления, но о неньютоновской жидкости ничего не говорится. Чтобы заинтересовать своих одноклассников, я решила исследовать такого рода жидкости.

Цели проекта:

Получить неньютоновскую жидкость, изучить свойства такой жидкости и выяснить области применения этой загадочной жидкости в современном мире.

Задачи проекта:

- собрать и проанализировать информацию о неньютоновской жидкости;

- провести эксперименты и исследовать свойства жидкости;

- проанализировать результаты экспериментов и на их основе сделать вывод.

Методы исследования:

Изучение и анализ научной литературы в Интернет-ресурсах и печатных изданиях, экспериментальные исследования.

Глава 1:Теоретическая часть.

1.1.История неньютоновской жидкости.

В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели, если делать это медленно. Он сформулировал закон, согласно которому сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях, предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга. Ньютон дополнительно обратил внимание на особенности жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной системы посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. Если поддерживать вращение цилиндра, то постепенно вращение передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость»(термины имеют одно и то же значение), получившие одинаковое распространение. Внутреннее трение сопротивление перемещению частиц под влиянием приложенной силыВ применении к жидкостям различают  динамическую жидкость и кинематическую. Эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии - раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Изучая деформационные свойства реальных тел, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой. Термин «реология» ввёл американский учёный Юджин Бингам.

1.2.Что же такое жидкость?

Наш жизненный опыт говорит, что в окружающем нас мире вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода), газообразном (водяной пар) состояниях. Летом мы наблюдаем воду в реках и озерах, пар содержится в окружающем воздухе, а зимой воду можно наблюдать в виде снега и льда. Жидкости, подобно твердым телам, обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, а подобно газам не обладают упругостью формы. Одним из свойств жидкости является то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.

Основное свойство жидкости - текучесть. Молекулы жидкости расположены на более близком расстоянии друг к другу, чем молекулы газа, поэтому силы притяжения между ними более заметны. Несмотря на то, что изменить форму жидкости очень легко, изменить объем фиксированного количества жидкости очень трудно.

В начале XVIIв. английский философ Фрэнсис Бэкон описал опыт по сжатию воды: «Мы заказали полый шар из свинца, объемом приблизительно в две винные пинты, с достаточно толстыми стенками ,чтобы выдержать большую силу. В него мы влили воду через сделанное отверстие. Наполнив шар водой, мы запаяли свинцом это отверстие, чтобы шар стал совершенно замкнутым. Затем мы сплющили шар с двух сторон тяжелым молотом, отчего вещество неизбежно должно было сжаться в меньшем пространстве. Затем мы воспользовались прессом, так что вещество, не выдерживая дальнейшего давления, начало выступать сквозь свинец. Потом мы подсчитали, сколько объема убавилось в шаре от давления, и убедились, что это есть то сжатие, которое вынесло вещество, но только подвергнутое действию огромной силы».

С точки зрения механических свойств жидкости делят на два класса: малосжимаемые (капельные) – вода, керосин, спирт, масло и др., и сжимаемые (газообразные) – различные газы.

Таблица №1 «Основные свойства жидкости»

№ п/п

Свойства

Определение

1.

Плотность

количество массы жидкости в единице объема

2.

Удельный вес

отношение силы веса жидкости к ее объему

3.

Сжимаемость

способность жидкости изменять объем при изменении давления

4.

Температурное расширение

способность жидкости изменять объем при изменении температуры

5.

Вязкость

способность реальной жидкости сопротивляться относительному сдвигу слоев жидкости, касательному усилию

При изучении закономерностей гидравлики используют понятия реальной и идеальной жидкости. Идеальные жидкости – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений. Именно реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

1.3.Что такое неньютоновская жидкость?

Интересно, как мы можем представить себе неньютоновскую жидкость?! Наверное, как и обычную жидкость в жидком состоянии. Ну, а как может выглядеть неньютоновская жидкость? Она выглядит точно также как и жидкость, но при быстром перемешивании этой жидкости становится твердой. Мне стало интересно, почему? И я решила это выяснить.

Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. 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. Если на неньютоновскую жидкость начать воздействовать механически, то мы увидим как жидкость начнет принимать свойства твердых тел (одним из наиболее известных свойств твердых веществ является их способность сохранять свою форму. По сравнению с газами и жидкостями твердые вещества могут выдерживать значительные внешние нагрузки. Плотность каждого вещества в твердом состоянии значительно больше, чем в газообразном состоянии, и несколько больше, чем в жидком.)

В 1963 году ученый химик и физик Артур Кайе проводил опыты на основе неньютоновских жидкостей и наблюдал интересные изменения. Ученый заметил, что если жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкость или в жидкость с одинаковой плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется в жидкости, а как бы отскакивает от самой себя. Связано данное явление с тем, что струя жидкости, падающая вниз не может пробить поверхностное натяжение верхнего слоя и отскакивает в сторону. Это явление назвали "Эффект Кайе".

Скотт Вайтукайтис и Генрих Йегер из Университета в Чикаго создали из воды и кукурузной муки субстанцию, назвав ее «ооблек». В ходе экспериментов они ударяли по образцам субстанции алюминиевым стрежнем и измеряли положение, скорость и ускорение стрежня при его взаимодействии с «ооблеком». На основании измерений было установлено, что затвердевание субстанции происходит от внутреннего сжатия и давления, распространяющегося по «ооблеку» от точки удара. Используя в своем исследовании огромное количество субстанции (25 литров), ученые показали, что необычные эффекты, проявляющиеся себя в неньютоновских жидкостях, не зависят от размера контейнера, а следовательно, и само наличие удерживающих стен не является важным фактором. При помощи рентгеновской съемки, исследователи зарегистрировали образование твердых цилиндрических образований под местами ударов. Тщательно проанализировав эти данные, авторы предложили простую модель, описывающую столкновения, которая оказалась очень схожа с моделями, рассматривающими падение объектов в обычные жидкости, но в то же время демонстрирует совершенно другие объекты. (приложение № 1)

Для неньютоновских жидкостей вводится понятие «кажущейся» вязкости. Под ней подразумевают вязкость неньютоновской жидкости, у которой скорость деформации под действием заданного напряжения сдвига равна скорости деформации рассматриваемой неньютоновской жидкости. Основными свойствами неньютоновской жидкости являются: сохранение объёма, вязкость, пластичность и пр.

Таблица №2 «Сравнение свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей»

п\п

Свойства

Ньютоновская

Неньютоновская

1

Текучесть

Да

Да

2

Вязкость

Незначительная

Значительная

3

Смачивание

Значительное

Незначительное

4

Испарение

Да

Да

5

Смешиваемость

Отличная

Затруднена

6

Однородность

Однородна

Неоднородна

7

Магнетизм

Нет

Некоторые виды

8

Пластичность

Нет

Некоторые виды

9

Хрупкость

Нет

Некоторые виды

10

Твердость при ударе

Нет

Некоторые виды

11

Пружинит при ударе

Нет

Некоторые виды

Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы. 
К первой группе относятся вязкие (или стационарные) неньютоновские жидкости, для которых функция не зависит от времени. Различают следующие жидкости этой группы: бингамовские, псевдопластичные и дилатантные.

Бингамовские жидкости начинают течь только после приложения напряжения, превышающего предел текучести. При этом структура пластичной жидкости разрушается, и она ведет себя как ньютоновская. При снижении напряжения структура бингамовских жидкостей восстанавливается. К бингамовским жидкостям относятся густые суспензии (различные пасты и шламы, масляные краски и т.п.).

Псевдопластичные жидкости получили наибольшее распространение в рассматриваемой группе неньютоновских жидкостей. К ним относятся растворы полимеров, целлюлозы и суспензии с асимметричной структурой частиц, и т.п. Псевдопластичные жидкости, как и ньютоновские, начинают течь при самых малых значениях напряжения . Эти жидкости делят на тиксотропные (кажущаяся вязкость жидкости со временем уменьшается) и реопектические (кажущаяся вязкость жидкости со временем увеличивается). К первому виду жидкостей относятся красители, некоторые пищевые продукты (кефир, простокваша и др.), ко второму виду – коллоидные растворы.

Дилатантные жидкости содержат жидкую фазу в количестве, позволяющем заполнить в состоянии покоя или при очень медленном течении пустоты между частицами твердой фазы. При увеличении скорости частицы твердой фазы перемещаются друг относительно друга быстрее, силы трения между частицами возрастают, при этом увеличивается кажущаяся вязкость. К дилатантным жидкостям относятся суспензии крахмала, силиката калия, различные клеи и др.

Ко второй группе относят неньютоновские жидкости, характеристики которых зависят от времени. Для таких жидкостей величина напряжения зависит не только от градиента деформации, но и от ее продолжительности, что усложняет анализ процесса течения этих жидкостей, так как для определения вязкости нужно знать предысторию жидкости. К таким жидкостям относятся тиксотропные и реопектические жидкости, о которых говорилось ранее.

К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелдонские жидкости. Кажущаяся вязкость этих жидкостей уменьшается под воздействием напряжений, после снятия которых жидкости частично восстанавливают свою форму. К этому типу жидкостей относятся некоторые смолы и пасты тестообразной консистенции.

1.4.Применение неньютоновских жидкостей

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 .Рассмотрим несколько вариантов использования и применения неньютоновских жидкостей:

1).«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.

2).«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.

3).Так же 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 двигатели.

4).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.

5).Также неньютоновская жидкость служит для проведения опытов с детьми в школах,детских садах и для развития мышления.

6).В косметологии ,чтобы косметика держалась на коже ,её делают вязкой. Вязкость для всех продуктов индивидуальна, в зависимости от того, для какой цели предназначена. На фабриках по производству косметики используют специальные вещества-модификаторы вязкости. А при производстве домашней косметики используют различные масла и воск.

7).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.

Неньютоновские жидкости играют очень большую роль в нашей жизни и в мире постоянно ведутся разработки и проектируются новые материалы и продукция ,основанные на свойствах неньютоновской жидкости ,которые возможно найдут перевоплощение в недалеком будущем.

1). Одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости. Работу в этом направлении сегодня ведут польские ученые из Института технологий безопасности Moratex. Жидкая броня в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную волну по большой площади.

2). Ученые всё больше уделяют внимание изучению неньютоновских жидкостей и удивляют нас своими идеями. Например, была создана «Жидкая сумка». Для того чтобы защитить авиапассажиров, международная команда ученых разработала специальную сумку-чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета.

3).Ведутся работы по изготовлению контейнеров для транспортировки и хранения ,легко бьющихся стеклянных и хрупких предметов.

Вывод:

Свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в современной жизни человека: от борьбы с терроризмом и ремонта дорог до развивающих детских игрушек ,смазочных материалов и использования в косметологии.

Глава 2:Практическая часть.

2.1.Исследование свойств неньютоновской жидкости.

Таблица №3 «Вещества, используемые для изготовления неньютоновской жидкости в домашних условиях»

№ п\п

Наименование

Характеристика

1

Крахмал картофельный

Органическое вещество-полисахарид растительного происхождения. Используется в пищу.

2

Краситель пищевой

Синтетические соединения, разрешенные к применению в пищевой промышленности.

3

Клей ПВА

Эмульсия поливинилацетата в воде, со специальными добавками. Применяют для склеивания различных материалов. Нетоксичен, пожаро -и взрывобезопасен.

4

Силикатный клей

Силикатный клей или жидкое стекло –это минеральное соединение ,широко используемое в быту для соединения различных материалов.

5

Универсальный клей

Состоит из сополимеров винилацетата. Используется для склеивания разных материалов. Горюч, опасен для здоровья.

6

Тетраборат натрия

Раствор буры (минерал из класса боратов)в глицерине. Антисептическое средство, используемое в медицине.

7

Пищевая сода

Особая кислая соль угольной кислоты и натрия ,применяют в пищевой, медицинской, химической, фармацевтической промышленности.

8

Шампунь

Состоит из смеси различных веществ .Используется в косметических целях. Безопасен для человека.

Я провела несколько экспериментов, изготавливая образец неньютоновской жидкости из разных веществ и их разных сочетаний. Таким образом я проверила какой из рецептов безопасен и более удобный, а так же какой из полученных образцов наиболее приближен по свойствам в неньютоновской жидкости.

Таблица №4 «Свойства неньютоновской жидкости , на примере жвачки для рук»

№ п\п

Свойства

Характеристика

1

Текучесть

Ведет себя подобно жидкости медленно стекает ,капает и растекается по поверхности. Если сделать шарик и положить на стол, то через некоторое время шарик растечется.

2

Пластичность

Пластичная масса ,приятно мять руками.

3

Однородность

Однородна по своему составу.

4

Изменение при ударе

Становится твердой при резком воздействии. Пружинит при ударе.

5

Практичность

Не меняет свойств при длительном хранении и использовании.

 

В интернете я нашла много разных опытов и один из них мне очень понравился , но я не могу его сделать ,потому что у меня нет сабвуфера, но это выглядит очень эффектно.(приложение №2)

Опыт №1:

Цель: приготовить и изучить свойства неньютоновской жидкости (приложения №1,2,3,4,5,6)

Оборудование: чашка, стакан воды, 200г крахмала, ложка, красители (йод)(приложение №1)

Ход работы:

В чашку налить необходимое нам количество воды и перемешать с крахмалом (приложение №2) . (можно взять любой либо кукурузный, либо картофельный)Далее добавляем одну чайную ложку йода(крахмал взаимодействует с йодом ,образуя соединения включения) и перемешиваем очень медленно ,чтобы не получились комочки.(приложение №3,4)

Исследование:

Мы можем налить раствор в руку и ничего не делать рукой, тогда мы увидим, что неньютоновская жидкость растекается(приложение №5), а если мы начнем быстро сжимать руку, то увидим, что неньютоновская жидкость приняла обличие твердого тела(приложение №6). Так же можно ударить по нашей жидкости и увидим, что она тоже приняла облик твердого тела.

Вывод:

Получившийся образец обладает всеми основными свойствами неньютоновской жидкости. Также состоит из доступных ингредиентов. После работы с образцом необходимо вымыть руки. Не подлежит длительному хранению.

Опыт №2:

Цель: приготовить и изучить неньютоновскую жидкость.

Оборудование: чашка, ложка ,клей ПВА -3 ст.л.,тетраборат натрия – ½ ч. л.

Ход работы:

Подготовить все ингредиенты и посуду ,в чашку налить клей ПВА, добавить краситель и тетраборат натрия, перемешать.

Исследование:

Образец мягкий и эластичный ,его можно растянуть на длинные полосы. Можно разорвать и собрать обратно.

Вывод:

Не пачкает руки, не теряет свойств. При хранении на открытом воздухе теряет свои свойства безвозвратно.

Глава 3.

3.1.Заключение.

Жидкость-одно из состояний вещества. Основное свойство жидкости-менять форму под внешним воздействием ,сохраняя объем. В гидродинамике жидкости делятся на ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновская жидкость- это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своем течении закону вязкого трения Ньютона.

Неньютоновская жидкость подчиняется при своем течении закону вязкого трения,то есть её вязкость не зависит от температуры жидкости, а зависит от скорости сдвига.

Свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в повседневной жизни. Также ведется множество научных разработок уникальных материалов и могут найти широкий спектр своего применения в разных областях деятельности человека.

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Я надеюсь, что мне удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

По итогам работы были выполнены все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни. Во время работы я узнала много чего нового и полезного для себя.

3.2.Список литературы.

1).http://studopedia.org

2).http://www.infuture.ru

3).https://drofa-ventana.ru

4). https://ru.wikipedia.org

5). 7 веществ, нарушающих правила физики [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://scienceblog.ru/2009/07/06/7- veshhestv-narushayusshhikh-pravila-fiziki/

6).Алтынов П.И. Краткий справочник шуольника. 5-11 класс [Текст]/Авт.-сост.П.И. Алтынов,П.А.Андреев,А.Б.Балжи и другие –М.:Дрофа,1997.-624с.

7).Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики под редакцией Г.С.Ландсберга [Текст] Том 1 Механика.Теплота.Молекулярная физика. М., 1971г.,656стр.

8).Перышкин А.В. Физика 7 кл.: [Текст] учебник/А.В. Перышкин. М.: Дрофа ,2014.-224 с.

3.3.Приложения

№1

На снимке видна реакция смеси на удар, показывающая "твердотельную " природу неньютоновской жидкости

 

№2 Красивый опыт

Приложения №1,2,3,4,5,6- Изучение свойств полученного образца неньютоновской жидкости из картофельного крахмала, красителя и воды.

№ 1

№2

№3

№4

№5

№6

Просмотров работы: 149