А Ньютона не позвали...

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

А Ньютона не позвали...

Мороз Е.В. 1
1МАОУ Ямская СОШ
Кострулева И.Н. 1
1МАОУ Ямская СОШ
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

 

Вот как вы себе представляете жидкость? Какими свойствами она должна обладать? В первую очередь: она льется и растекается. Но могут ли жидкости выдерживать вес человека или занять вертикальное положение? Все не так просто! Есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно. Задумывались ли вы когда-нибудь, можно ли ходить по воде? Почему ящерицы и водомерки бегают по воде, это уже доказанный факт, а человек не может?

С точки зрения физики это невозможно, но мы сегодня попробуем вас удивить.

Наш проект «А Ньютона не позвали…» раскрывает необыкновенные свойства неньютоновских жидкостей, рецепты их получения и применения в жизни и деятельности человека.

Актуальность проекта заключается в том, что по результатам исследования неньютоновских жидкостей мы можем расширить круг экспериментов и опытов для учеников и педагогов нашей школы, определить какое значение имеет вязкость различных жидкостей в различных областях деятельности человека.

Целью нашего исследования: определить отличия обычной жидкости от неньютоновской, создать эту жидкость, проверить ее свойства. А также проанализировать от чего зависит коэффициент вязкого трения различных жидкостей ( ньютоновской и ньютоновской).

Объект исследования – жидкости разного рода.

Предмет исследования - неньютоновские жидкости.

В качестве рабочей гипотезы мы выдвинули следующее предположение: если водомерки и ящерки бегают по воде, то и человек сможет бегать по жидкости.

Для достижения цели исследования и проверки рабочей гипотезы были решены следующие задачи:

Изучена информация и выявлены отличия обычной жидкости от неньютоновской.

Проведено анкетирование одноклассников на предмет информированности о неньютоновских жидкостях, изготовления и их применения.

Исследованы экспериментально некоторые свойства неньютоновских жидкостей, путем ее создания по наиболее простым рецептам.

Провели экспериментальную и аналитическую работу на предмет изучения важнейшего свойства – жидкости: вязкости.

Основными методами исследования явились:

1) теоретический (анализ и изучение литературы по вопросам);

2) исследовательский (исследование свойств неньютоновских жидкостей и их применение).

ГЛАВА 1. ДВА РОДА ЖИДКОСТИ

Жидкость, неподчиняющаяся закону Ньютона

В этой главе мы определим, какие два рода жидкости существуют в природе.

- Ньютоновские - это вязкие жидкости, подчиняющиеся в своем течении закону вязкого трения Ньютона. Их вязкость зависит только от условия измерения – давления, температуры. Это большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ. Они сохраняют свое агрегатное состояние (вода, молоко, масло подсолнечное).

- Неньютоновские (вязкость таких жидкостей зависит от скорости течения. Если на них воздействовать резко, сильно, быстро - они проявляют свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью (большинство современных моторных масел, резиновый цемент, растворы полимеров, кровь человека, масляные краски, зубная паста ).

Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело. Этот эксперимент я и моя сестра, ученица 7 класса, провели на уроках физики, заинтересовались и решили узнать подробнее о неньютоновской жидкости. Проведя анкетирование одноклассников на предмет информированности о неньютоновских жидкостях, оказалось, что 56 % знают о существовании неньютоновских жидкостей.

Применение неньютоновских жидкостей

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. Итак, неньютоновские жидкости применяются:

при изготовлении косметических средств: тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей.

в кулинарии: соусы, масло, маргарин, майонез, йогурт.

в медицине: по вязкости крови судят о таком заболевании, как тромбозы. Это важно знать, если мы заботимся о своем здоровье. Необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем.

в военном производстве: производят бронежилеты для военных: они легче по весу и проще в изготовлении.

дорожном строительстве: при движении автомобилей, жидкость среагирует как твердое тело и перепад глубины не будет чувствоваться при езде. 

ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ БЕЗ ПРАКТИКИ МЕРТВА,

ПРАКТИКА БЕЗ ТЕОРИИ СЛЕПА

Проект «А Ньютона не позвали …» создан на основе теоретических знаний о различных видах жидкостей с точки зрения исследования их вязкости.

Практическая часть проекта представлена двумя направлениями:

Направление 1. Выполнение интересных и несложных экспериментов, которые мы проводили в 6-7 классах. Решались следующие задачи:как получить неньютоновскую жидкость, какие эксперименты можно провести, наши планы на будущее, правила работы с этим материалом.

Получение неньютоновской жидкости

Рецепты неньютоновской жидкости в домашних условиях очень просты:

Для получения неньютоновской жидкости в домашних условиях мы

взяли крахмал (картофельный, кукурузный — любой) и воду. Пропорция зависит от качества крахмала и составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. Для цвета можно добавить красители, зеленку, краски. В результате смешивания мы получали нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами.

Эксперименты с неньютоновской жидкостью

Эксперимент 1.

Размешали картофельный крахмал и воду. При перемешивании выяснили чем быстрее мешаем, тем больше сопротивление. Жидкость начинает вести себя как твердое тело. Как только мешаем медленнее получаем обыкновенный кисель, т. е. жидкость. Мы вам не советуем перемешивать данную жидкость алюминиевой ложкой. У нас в результате перемешивания этой жидкости сломалась алюминиевая ложка. В емкость со смесью медленно ввели руку, то результат точно такой же, как если бы мы ввели руку в воду. Но мы размахнулись как следует и стукнули по этой смеси, рука отскочила, как если бы это было твёрдое вещество. 

Также мы лили такую смесь с достаточной высоты: в верхней части струя текла, как жидкость, а в нижней — скапливалась комками, как твёрдое вещество. Кстати, любые капельки, которые мы все же накапали из миски, убрать легко. Жидкость невозможно выплеснуть из миски.

Эксперимент 2.

Взяли яйцо, положили его в пакет с водой, бросили с высоты данный пакет в ведро. Яйцо при ударе разбилось. Взяли другое яйцо и положили его в пакет с неньютоновской жидкостью. Точно так же бросили с высоты в ведро, но яйцо не разбилось. Отсюда вывод, при ударе об ведро жидкость повела себя как твердое тело.

Эксперимент 3.

Мы пробовали забить гвоздь в брусок в сосуде с водой. Это нам не удалось, так как вода разбрызгивалась, брусок тонул и снова всплывал. Зато в брусок, который находился в неньютоновской жидкости мы легко забили гвоздь. Так как жидкость принимала свойства твердого тела.

Эксперимент 4.можно сделать дома.

Мы развели неньютоновскую жидкость в таз и нам удалось побегать на неньютоновской жидкости.

Все эксперименты очень нравятся детям. Достаточно вспомнить «лизуна» и другие игры. Важно помнить: нельзя выливать в канализацию, чтобы не засорить, а надо дождаться, когда она высохнет, и просто выбросить в мусорник.

Н аправление 2. Измерение коэффициента вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

А. Вязкость воды, сахарного сиропа.

- Измерить и проанализировать скорость падения тел (шариков) различных размеров в различных жидкостях (вода, сахарный сироп). Жидкости имели разную температуру.

- вычислить и проанализировать от чего зависит коэффициент вязкого трения.

Оборудование: мензурка (40 см), шарики разных диаметров, 2 вида жидкостей.

Теоретическое обоснование:

Опыт первый. Вода, t= 20 C°. Глубина погружения – 28 см. Измерение времени, за которое шарик преодолеет данную глубину в воде (результаты опыта описаны в таблице). Расчет по формуле Стокса коэффициента вязкости жидкости:

ƞ1=

ƞ2= 0,985 мПа/с

ƞ3=1,03 мПа/с

ƞ4=0,97 мПа/с

ƞ5=1,05 мПа/с

Среднее значение коэффициента вязкости жидкости:

ƞ0=

Средняя квадратичная погрешность по формуле:

√(0,987-0,958)²+(0,987-0,985)²+(0,987-1,03)²+(0,987-0,97)²+(0,987-1,05)²:5= 0,006; ƞ =0,987±0,06

Номер шарика

Вид/Плотность жидкости

Температура жидкости

 R шарика

(м)

Плотность шарика

V уст.

(м/с)

Коэффициент вязкости

(мПа/с)

№1

Вода (1000кг/м3)

~20°

0,0075

7800 кг/м3

870

0,958

№2

Вода (1000кг/м3)

~20°

0,004

7800 кг/м3

240

0,985

№3

Вода (1000кг/м3)

~20°

0,0035

7800 кг/м3

180

1,03

№4

Вода (1000кг/м3)

~20°

0,003

7800 кг/м3

150

0,97

№5

Вода (1000кг/м3)

~20°

0,0025

7800 кг/м3

90

1,05

Опыт второй. Сахарный сироп t= 20 C°.

ƞ1=

ƞ2=56.86 мПа/с

ƞ3=56.93 мПа/с

ƞ4=57 мПа/с

ƞ5=56.87 мПа/с

Среднее значение коэффициента вязкости жидкости

ƞ0=(ƞ1+ƞ2+ƞ3+ƞ4+ƞ5):5

ƞ0=(56.76+56.86+56.93+57+56.87):5=56.825

Средняя квадратичная погрешность по формуле:

√(56.825-56.76)²+(56.825-56.86)²+(56.825-56.93)²+(56.825-57)²+(56.825-56.87)²/5=0.13; ƞ=56.825±0.13

Номер шарика

Вид/Плотность жидкости

Температура жидкости

R шарика (м)

Плотность шарика

Vуст.

(м/с)

Коэффициент вязкоcти

(мПа/с)20.9

№1

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~20°

0,0075

7800 кг/м3

14,2

56,76

№2

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~20°

0,004

7800 кг/м3

4

56,86

№3

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~20°

0,0035

7800 кг/м3

3.08

56,93

№4

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~20°

0,003

7800 кг/м3

2.26

57

№5

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~20°

0,0025

7800 кг/м3

1.57

56,87

Опыт третий. Вода, t= 100 C°.

Коэффициент вязкости жидкости:

ƞ1=0.27 мПа/с

ƞ2=0.268 мПа/с

ƞ3=0.294 мПа/с

ƞ4=0.3 мПа/с

ƞ5=0.275 мПа/с

Среднее значение коэффициента вязкости жидкости

ƞ0=(ƞ1+ƞ2+ƞ3+ƞ4+ƞ5):5

ƞ0=(0.27+0.268+0.294+0.3+0.275):5=0,281 мПа/с

Средняя квадратичная погрешность по формуле:

ƞ0=√(0.281-0.27)²+(0.281-0.268)²+(0.281-0.294)²+(0.281-0.3)²+(0.281-0.275)²=0.01; ƞ=0.281± 0.01

Номер шарика

Вид/Плотность жидкости

Температура жидкости

R шарика

(м)

Плотность шарика

Vуст.

(м/с)

Коэффициент

вязкости

(мПа/с)

№1

Вода (1000кг/м3)

~100°

0,0075

7800 кг/м3

3140

0,27

№2

Вода (1000кг/м3)

~100°

0,004

7800 кг/м3

850

0,268

№3

Вода (1000кг/м3)

~100°

0,0035

7800 кг/м3

650

0,294

№4

Вода (1000кг/м3)

~100°

0,003

7800 кг/м3

480

0,3

№5

Вода (1000кг/м3)

~100°

0,0025

7800 кг/м3

330

0,275

Опыт четвертый. Сахарный сироп, t= 110 C°.

Коэффициент вязкости жидкости:

ƞ1=

ƞ2=14.52 мПа/с

ƞ3=14.25 мПа/с

ƞ4=14.3 мПа/с

ƞ5=14.36 мПа/с

Вычисляем среднее значение коэффициента вязкости жидкости:

ƞ0=(ƞ1+ƞ2+ƞ3+ƞ4+ƞ5+):5

ƞ0=(14.26+14.52+14.25+14.3+14.36):5=14.3

Средняя квадратичная погрешность по формуле:

ƞ0=√(14.3-14.52)²+(14.3-14.25)²+(14.3-14.3)²+(14.3-14.36)²+(14.3-14.26)²=0.1059 ; ƞ=14,3 ±0.1059

Номер шарика

Вид/Плотность жидкости

Температура жидкости

R шарика

(м)

Плотность шарика

Vуст.

(м/с)

Коэффициент вязкости

мПа/с

№1

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~110°

0,0075

7800 кг/м3

55.69

14,26

№2

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~110°

0,004

7800 кг/м3

16

14.52

№3

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~110°

0,0035

7800 кг/м3

12

14.25

№4

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~110°

0,003

7800 кг/м3

8.8

14.3

№5

Сахарный сироп(1350кг/м3)

~110°

0,0025

7800 кг/м3

6.1

14.36

Вывод: Скорость падения шарика зависит от:

Вида жидкости

Плотности шарика

Радиуса шарика

Коэффициент вязкого трения зависит от:

Вида жидкости

Температуры жидкости

Б. Вязкость лакокрасочных материалов, масляных красок.

- Измерить и проанализировать условную вязкость ЛКМ.

Оборудование: Вискозиметр FORD 4, 3 вида жидкостей.

Теоретическое обоснование: Измерение условной вязкости основано на регистрации времени (в секундах) истечения известного объема жидкости (100 мл) из воронки через отверстие определенного диаметра (обычно четырехмиллиметрового). Для измерения условной вязкости лакокрасочных покрытий и предназначен Вискозиметр FORD 4. Диаметр сопла вискозиметра 1/6 дюйма или примерно 4,2 мм.

П ринцип действия вискозиметра заключается в подсчете времени, затраченного на протекание определенного объема жидкости через достаточно узкое отверстие при определенной разнице давлений. Жидкость вытекает под давлением собственного веса.

Схема измерения вязкости:

1. Во время измерения вязкости температура жидкого лакокрасочного материала была 20°С.

2. Вискозиметр закрепили в вертикальном положении (или можно держать рукой).

3. Под вискозиметр находиться чистый сосуд емкостью больше 100 мл.

7. Открыли сливное отверстие и одновременно включили секундомер.

8. Отсчет времени заканчивается в момент первого прерывания струи (струя приобретает капельный характер).

9. Замерили время в секундах. Это и есть условная вязкость материала.

10. Измерения провели не менее 3 – 5 раз для вычисления средней оценки вязкости.

11. Следующее измерение проводят сразу после окончания предыдущего (можно без очистки вискозиметра).

12. За конечный результат принимают среднюю арифметическую величину результатов всех (3 – 5) измерений.

Таблица изменения условной вязкости в зависимости от температуры жидкости

Результат: Вязкость лкм вискозиметру FORD 4 получилась 30 - 40 с.

Это означает, что для применения продукта следует разбавлять до указанной условной вязкости.

Возможные дефекты лакокрасочного покрытия при нарушение вязкостных показателей:

Потеки;

Сморщивание лаковой пленки;

Кипение (пузыри);

Усадка;

Потеря блеска;

Разноооттеночность;

Нарушение режима сушки;

Растрескивание лкп;

Вспучивание лкп.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы:

1. В результате работы мы провели теоретический анализ физической литературы о неньютоновской жидкости.

2. Выявили отличия обычной жидкости от неньютоновской, провели ряд экспериментов в рамках уроков физики для детей.

3. По результатам исследования были даны рекомендации о правильном использовании этой аномальной жидкости.

4. Опытным и аналитическим путем определили вязкость различных жидкостей, зависимость ее от различных показателей.

Данная тема имеет перспективы развития в следующих направлениях:

проведения мастер-классов в начальной, средней школе.

ознакомление педагогов школы с рецептами «физика на кухне» по теме неньютоновской жидкости.

провести эксперименты по изучению вязкости других неньютоновских жидкостей (машинных масел).

разработка рекомендаций по выбору ЛКМ: «Что нам стоит дом покрасить?»

разработка макета бронежилета из подручных средств, бюджетно.

Мы думаем, что сегодня вы получили много новых впечатлений, и если вы еще никогда не делали эксперименты с неньютоновскими жидкостями, то бегите в магазин за крахмалом или приобретайте приборы и самостоятельно измеряйте вязкость. Но, а Ньютона мы опять не позовем, потому что эти жидкости не подчиняются его законам!

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 1973

2. http://ƞaukaveselo.ru/svoystva-ƞeƞyutoƞovskih-zhidkostey.html

3. Уокер Дж. Физический фейерверк: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. – М.: Мир, 1998.

4. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991. – 336с.

5. http://paintyard.ru/baza-znanij/metody-ispytanij/vjazkost-lkm/

Просмотров работы: 74