VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки жидкостей
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы живем в мире жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Мы, люди, состоим из жидкости. Вода дает нам жизнь. Мы каждый день используем разные жидкости: пьем чай; моем руки; заливаем бензин в автомобильный бак; наливаем масло на сковороду при жарке и т.д.
Основным свойством жидкости является, то, что она способна принять форму сосуда, в которую она налита.
Цель работы: изучить свойства некоторых жидкостей.
Задачи:
Узнать что такое жидкость
Узнать в чем отличие жидкостей
Провести опыты с некоторыми жидкостями
Проверить защитные свойства жидкости
Узнать области применения жидкостей.
Актуальность: Жидкости окружают нас повсюду. Это и вода, и продукты питания. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.
Гипотеза: все жидкости должны обладать разными свойствами.
Практическая значимость:материалы моего исследования можно использовать на уроках физики, химии в будущем. Неньютоновские жидкости могут служить защитной оболочкой.
Теоретическая часть
Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями.
При этом агрегатное состояние жидкости, как и агрегатное состояние твёрдого тела является конденсированным, т. е. таким, в котором частицы (атомы, молекулы, ионы) связаны между собой. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.
Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).
Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.
Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения — это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза).
Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.
Жидкости можно разделить на ньютоновские и неньютоновские
Выясним, почему они имеют такие названия. Этим они обязаны английскому ученому Исааку Ньютону.
Сэр Исаак Ньютон — английский физик, математик, механик, и астроном, один из создателей классической физики. Современная наука обязана Ньютону множеством сформулированных законов поведения тел и веществ. В числе прочих он сформулировал закон вязкого трения жидкостей. Согласно этому закону, жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами в независимости от того, какие силы действуют на нее.
Соответственно тогда ньютоновская жидкость - это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. Если же жидкость не подчиняется этому закону, она считается неньютоновской.
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, вязкость жидкости очень сильно увеличивается, и она начинает вести себя почти 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.
Нью́тоновская жидкость (названная так в честь Исаака Ньютона) — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона. Будет более понятно, если сказать, что ньютоновская жидкость – это вода, масло, сок, молоко 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). Они продолжает демонстрировать свойства жидкости вне зависимости от скорости перемешивания. Эти вопросы я буду изучать в старших классах.
Но в не все в нашем мире так просто, оказывается, есть жидкости, способные выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно - НЕньютоновские жидкости.
Так что же такое неньютоновская жидкость?
Неньютоновская жидкость
Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Это тоже жидкие тела, они тоже текучи, не обладают определенной формой, принимают форму сосуда, в который налиты. Но также обладают свойствами, нарушающими закон Ньютона. Например, есть такие жидкости, которые при сильном давлении становятся плотными, при медленном воздействии становятся текучими, а при сильном воздействии – упругими, твердыми. Проще говоря, это такие вещества, которые могут быть и жидкими, и твёрдыми. Если быстро толкаем, мнем, кидаем, стучим, то они проявляют качества твёрдого тела, а если останавливаемся, то в наших руках они превращаются в лужицу.
Изучив этот вопрос глубже через научную литературу и Интернет, я понял, что таких жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. Даже наша кровь относится к неньютоновским жидкостям. Кровь находится в постоянном движении. По мере увеличения скорости кровотока вязкость крови снижается, а при замедлении — увеличивается. Значение вязкости жидкости играет важную роль. Предположим, что наша кровь слишком густая. Следовательно, может возникнуть тромб и вызвать сердечный приступ или инсульт. Если кровь слишком жидкая, может начаться кровотечение. Врачи должны знать о вязкости крови при выполнении операций. Также к неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, жидкое мыло, гель, мыльный крем для бритья, некоторые пищевые продукты (простокваша, кефир, соус кетчуп, желатиновые растворы, майонез, горчица, мед). На вид они выглядят густыми, но их вязкость снижается при взбалтывании. Например, чем сильнее и быстрее перемешиваешь сгущенку, мёд, некоторые строительные растворы, тем легче это делать. А начать бывает трудно.
Зыбучие пески - известный с давних пор пример неньютоновских жидкостей. Они опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Остановись на таком песке - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет, поэтому, если по нему пробежать, то он проявит свойства твердого тела и не засосёт внутрь.
Неньютоновские жидкости состоят из мелких частиц, распределенных в жидкости, причем внешне могут напоминать твердые субстанции или гель. Они подчиняются при своём течении закону вязкого трения, то есть их вязкость не зависит от температуры жидкости, а зависит от скорости сдвига. Неньютоновская жидкость неоднородна, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, эта жидкость ведет себя по-разному в зависимости от воздействия.
Изучая данную тему, я решил провести опыты, чтобы в домашних условиях получить неньютоновскую жидкость, изучить её свойства, сравнить с обыкновенной жидкостью, попытаться понять, как можно использовать аномальность неньютоновской жидкости в повседневной жизни.
Практическая часть
Для эксперимента требуется монета, пипетка, вода.
Сколько же капель может удержать рублевая монета? Для этого капаем воду на поверхность монеты. Вода не стекает. Всего поместилось 26 капель.
Можно ли вылить воду из бутылки, закрыв его только марлей?
Нам потребуется кусочек бинта, резинка и пластиковая бутылка.
Железо тонет в воде или нет?
Оборудование: тарелка, вода, скрепки.
Смешиваются ли все жидкости между собой?
Оборудование и реактивы: вода подкрашенная, подсолнечное масло, мед, жидкое мыло, подкрашенный спирт, бензин, мензурка.
Жидкости не смешиваются между собой из-за разных плотностей.
Приготовление неньютоновской жидкости.
Оборудование и реактивы: крахмал, вода, емкость.
Полученная жидкость отличается от других жидкостей.
Первое отличие:
При постукивании стаканчиком, жидкость ведет себя, как твердое вещество.
Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать колбаску, при воздействии на жидкость, пока мы будем катать колбаску, в руках будет твердый цилиндр из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наша колбаска.
Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени цилиндр тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.
Так же можно просто свободно без усилий погрузить палец в данный раствор, но если попробовать быстро ткнуть в него, палец остановится именно на поверхности раствора, не проникнув внутрь, и чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю мембрану, тем большее сопротивление мы будем получать взамен.
Защитные свойства неньютоновской жидкости.
Оборудование и реактивы: вода, крахмал, файлы, зажимы, сырые яйца.
В пакете с водой яйцо разбилось, значит, вода не зачищает от удара.
Повторяем опыт с неньютоновской жидкостью.
Яйцо осталось целым, значит, неньютоновская жидкость обладает защитными свойствами.
Применение Неньютоновских жидкостей
Проведя опыты и изучив материал в литературе и интернете, я пришёл к выводу, что исследование неньютоновских жидкостей очень актуально и востребовано. Ученые в первую очередь изучают их вязкость, ведь 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.
Развивающие игрушки.
Многие приготовленные мной неньютоновские жидкости могут использоваться в качестве развивающих игрушек для детей (развитие моторики, ловкости, реакции), а так же могут служить средством релаксации и расслабления.
Применение в косметологии
Чтобы косметика держалась на коже, её делают вязкой. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на умении подобрать идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
Применение в кулинарии
Чтобы красивее оформить блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Масло, маргарин и майонез используют для того, чтобы удерживать слои продуктов при изготовлении бутербродов. В салатах часто используют майонез, чтобы они не расползались, держали форму, что не возможно при использовании, например, оливкового масла.
Применение в автопромышленности
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.
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.
А группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. По их словам, 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. Эта идея может послужить замечательным средством для дорожных служб, которые смогут временно «залатывать» выбоины, скажем, в холодное время года, с тем, чтобы при наступлении теплой сухой погоды отремонтировать дорогу по-настоящему.
«Жидкий бронежилет». Новый тип бронежилета создали Специалисты из британской компании BAE Systems разработали новый тип бронежилета, в котором использовали особую жидкую субстанцию (состав держат в тайне), которая будет заполнять пространство между слоями кевлара. Жидкость будет гасить удар, распределяя импульс по всему бронежилету.
По подобному принципу уже разрабатывают футляры для очков, телефонов и других хрупких предметов.
Заключение
В мире много удивительных веществ, и жидкости – яркий этому пример. В результате исследования я получил представление о некоторых свойствах жидкостей, о степени их распространенности.
Гипотеза исследования подтвердилась: жидкости ведут себя неодинаково. Например, неньютоновские жидкости при быстром взаимодействии имеют свойства твёрдого тела, а при медленном – обычной жидкости. Выявленные свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в повседневной жизни человека от борьбы с терроризмом и ремонта дорог до развивающих детских игрушек, средств релаксации, расслабления.
Цель работы достигнута: теоретическим и экспериментальным методами исследованы некоторые свойства жидкостей и выяснены их особенности.
У неньютоновской жидкости богатое будущее, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни.