VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Неньютоновские жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Неньютоновские жидкости
Введение
Когда соседние слои частиц (молекул) в жидкости движутся относительно друг друга, они соударяются, благодаря чему скорости в различных слоях выравниваются, а энергия любого внешнего воздействия переносится в пространстве. В таких случаях говорят о силах внутреннего трения, или о вязком трении. Зависимость между вязким трением и скоростью относительного движения слоев называют динамической вязкостью. В большинстве знакомых нам жидкостей вязкость мало зависит от характера внешнего воздействия. Их движение описывается законами Ньютона, а сами жидкости называются ньютоновскими. К ним относятся вода и водные растворы, спирт, бензин и нефтепродукты. Однако, существуют жидкости, которые невозможно описать законами Ньютона, вязкость которых в значительной мере определяется характером внешнего воздействия. Например, если размешать в воде некоторое количество крахмала, можно заметить, что ложка застревает в суспензии, как в застывшем цементе. При дальнейшем размешивании необходимо уменьшить его скорость, и вы обнаружите, что ложка свободно проходит сквозь суспензию, как сквозь воду. Но стоит увеличить скорость размешивания, эффект затормаживания повторяется. Данная работа посвящена изучению этих необычных жидкостей, свойства которых не изучаются в школьной программе. Как и обычные жидкости, при малых нагрузках они мягкие и текучие, но при физическом воздействии на них, они становятся вязкими, упругими и плотными. Такие жидкости называют неньютоновскими.
Тема нашей поисково-исследовательской работы «Неньютоновские жидкости, какие они?».
Объект исследования - неньютоновская жидкость, предмет исследования - свойства жидкостей.
Гипотеза нашего исследования – при некоторых условиях неньютоновская жидкость, ведет себя не как жидкость, а как твёрдое тело. Этот вид жидкости можно изготовить и использовать в домашних условиях.
Методы исследования:
- изучение литературных и интернет – источников;
- практическое изготовление и экспериментальные исследования свойств неньютоновских жидкостей;
- определение области их использования.
Актуальность работы заключается в наглядной демонстрации необычных свойств окружающих нас жидкостей, которая вызывает повышение интереса к такой замечательной науке, как физика.
Цель и задачи работы
Цель работы – методы получения неньютоновской жидкости и изучение её свойств, и особенностей при физическом воздействии на её состав.
Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение литературных и интернет – источников по методикам получения неньютоновских жидкостей, их свойствам, характеристикам и особенностям;
- на основе изученных литературных и интернет – источников провести анализ по методикам получения неньютоновских жидкостей и выбрать приемлемые варианты для проведения экспериментальных исследований;
- на основе анализа методик, изготовить образцы неньютоновских жидкостей в лабораторных и домашних условиях;
- провести экспериментальные исследования с целью выявления свойств и характеристик полученных неньютоновских жидкостей, провести их сравнительный анализ;
- определить практические области использования неньютоновских жидкостей.
Характеристика жидкого состояния вещества и свойства жидкостей[1]
Определения основных физических свойств жидкости
• Плотность - количество массы жидкости в единице объёма.
• Удельный вес- отношение силы веса жидкости к её объёму.
• Сжимаемость- способность жидкости изменять свой объём при изменении давления.
• Расширение - свойство жидкости изменять объём при изменении температуры.
• Вязкость – Способность оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости
относительно другой. Вязкость — это внутреннее трение жидкости.
• Текучесть — это характеристика подвижности частиц жидкости, обусловленная
незначительными силами связи между ними.
Жидкость это одно из агрегатных состояний вещества [3]. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Газы не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости, подобно твердым телам, обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но, подобно газам, не обладают упругостью формы. Наиболее характерным свойством жидкости является текучесть. Жидкость, как и всякое физическое тело, состоит из отдельных частиц молекул, объем пустот между которыми во много раз превосходит объем самих молекул. Поэтому жидкость не может сохранять собственную форму, а принимает форму сосуда (резервуара, водоема), в котором находится. Отсюда вытекает, что основным свойством жидкости, является то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.
Особенности жидкого состояния вещества:
- жидкостями называют физические тела, легко изменяющие свою форму под действием поверхностных и массовых сил;
- жидкости имеют фиксированный объем и принимают форму сосуда, в котором они находятся;
- жидкости имеют вес и плотность. Плотности жидкостей намного больше, чем у газов;
- сжимаемость жидкостей очень невелика, поскольку между частицами жидкости остается совсем немного свободного пространства;
- подобно газам жидкости могут течь, и это их свойство называется текучестью.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости[2-3]
Еще в конце XVII века физик Исаак Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее чем, если делать это медленно. Чем сильнее воздействие на обычную жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Таким образом - жидкость продолжает течение вне зависимости от величины сил, действующих на нее. Ньютоновская жидкость, это - жидкость, вязкость которой зависит от природы вещества и температуры, и не зависит от условий течения, поскольку подчиняется закону вязкого трения Ньютона.
Примеры ньютоновской жидкости:
- вода, потому что она продолжает демонстрировать свойства жидкости вне зависимости от скорости перемешивания;
- однородные жидкости (и их смеси) с низкой молекулярной массой.
Вязкость воды небольшая, связи между ее молекулами слабые. При незначительном воздействии на нее, например, при переливании, связи рвутся, и вода течет (Приложение лист I, рис. 1). Когда же жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента (изменения величины) скорости. Частицы такой жидкости формируют контакты в виде множества сплетенных молекул. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места и реагируют как упругая пружина. При медленном воздействии связи между образующими частицами успевают растянуться и распутаться. Сетка рвется и частицы расходятся. Жидкость обладает свойством текучести (Приложение лист I, рис. 2). При увеличении физического воздействия на подобные жидкости, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело(связь между молекулами/частицами жидкости усиливается и возникает физическое затруднение сдвинуть слои таких жидкостей). Жидкости, которые не подчиняются законам обычных жидкостей и меняют свою плотность и вязкость при изменении воздействия на них физической силы называются - неньютоновскими. Примерами таких жидкостей являются:
- суспензии высокомолекулярных полимеров;
- кровь человека и животных;
- зыбучие пески (песок в состоянии покоя кажется твердым, но при движении человека вязкость его уменьшается и человек проваливается);
- болотные эмульсии (плотные болотные водные образования);
- красящие эмульсии(краски на различной основе).
Применение неньютоновских жидкостей[3-6]
Свойства неньютоновской жидкости позволяют найти ей широкое применение в повседневной жизни:
- жвачка для рук, особенности которой основаны на демонстрации свойств неньютоновской жидкости, не только забавная игрушка, но и очень полезный предмет. Ученые, изучая деятельность головного мозга и психику, отметили большое стимулирующее значение функций руки, так как в головном мозг человека центры, отвечающие за речь и движение пальцев рук, расположены очень близко. И если мы занимаемся развитием мелкой моторики, то тем самым активизируем и соседние зоны головного мозга, отвечающие за речь. Взаимодействие со жвачкой для рук способствует развитию мелкой моторики пальцев рук, развитию речи и почерка, снимает агрессию и раздражение, развивает творческое мышление, укрепляет кистевые мышцы рук ,создает позитивно эмоциональный фон и является замечательным антистрессом;
- в косметологии, чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой. Неньютоновские жидкости используют в качестве модификаторов вязкости;
- в кулинарии неньютоновские жидкости (суспензия крахмала) используют для получения продуктов с большой вязкостью, например, соусов. С целью удержания слоев продуктов на месте используют неньютоновские жидкости - масло, маргарин, майонез, йогурт;
- 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;
- ведутся работы по изготовлению контейнеров для транспортировки их ранения, легко бьющихся стеклянных и хрупких предметов;
- одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости. Таким образом, на смену материалу кевлар может прийти жидкость. Работу в этом направлении сегодня ведут польские ученые из Института технологий безопасности Moratex. Броня в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную волну по большой площади;
- для защиты авиапассажиров, международная команда ученых разработала специальную «Жидкую» сумку -чехол, содержащий неньютоновскую жидкость, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета;
- специфический материал «дитрио» (D3O) используется в изготовлении защиты мотоциклетной экипировки. Это оранжевая мягкая субстанция, легко деформирующаяся в руках (податливая и гибкая в случае слабого воздействия), но очень прочная, при воздействии кратковременной силы большой величины (например, удар молотком). Главное достоинство эластичного полимера, похожего на жвачку, заключается в том, что он сохраняет свою гибкость ровно до тех пор, пока к нему не будет применено агрессивное физическое воздействие;
- группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. Когда на неё не действуют внешние силы, она течёт, как жидкость, но как только на нее накатывается колесо автомобиля, она моментально превращается в твердую, как асфальт, субстанцию;
- в качестве смазочного материала неньютоновские жидкости создают защитную пленку смазочного материала, которая никогда не стекает с рабочих поверхностей двигателя;
- неньютоновские жидкости широко используются в нефтяной промышленности для регулирования вязкости перекачиваемых компонентов.
В мире постоянно ведутся разработки и проектируются новые материалы и продукция, основанная на свойствах неньютоновской жидкости, которые найдут свое воплощение в ближайшем будущем.
Методы изготовления неньютоновских жидкостей и изучение их свойств[7]
1. Изготовление суспензии крахмала в воде
Материалы и оборудование: крахмал картофельный, вода, глубокая чашка, ложка.
Ход работы:
Навеску крахмала смешать с водой в соотношении 1:1 с помощью ложки до получения однородной массы. Проводим исследование физического состояния образца при приложении разных нагрузок.
Изменяем скорость воздействия силы на исследуемый образец:
- при медленном опускании и вынимании пальца из жидкости с него стекает вязкая эластичная масса;
- при резком ударе пальцем по жидкости жидкость затвердевает в месте удара и на пальце не остаётся следов жидкости.
Отмечаем, что при резком увеличении скорости воздействия вязкость жидкости резко возросла и появилась упругость твердого тела. Получившуюся жидкость наливаем в руку и начинаем скатывать шарик. В момент воздействия на жидкость, пока мы катаем шарик, в руках находится довольно твердый шар из жидкости. Причем, чем быстрее и сильнее мы на него воздействуем, тем он становится плотнее и тверже. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Отмечаем, что после прекращения воздействия жидкость снова принимает свойства жидкой фазы (Приложение лист II, рис. 3).
2. Изготовление неньютоновской жидкости из поливинилацетатной дисперсии.
Материалы и оборудование: клей ПВА – 3 столовые ложки, тетра борат натрия (20% раствор в глицерине) - 0,5 чайной ложки, краситель, глубокая чашка, ложка, емкость для хранения.
Ход работы:
В чашку наливаем клей ПВА, добавляем пищевой краситель и раствор тетра бората натрия. Перемешиваем смесь до получения однородной массы. Смесь резко густеет и в жидкой фазе образуется мягкий эластичный материал (Приложение лист II, рис. 4).
Исследование образца: получившийся мягкий эластичный материал легко скатывается в комок. Ему можно придать любую форму, растянуть в плоскость, разорвать на несколько частей и скатать снова. Образец не пачкает руки, при механическом воздействии не становится твердым, медленно демонстрирует свойства текучести (форма теряется при хранении на воздухе). В герметичной емкости долго не теряет своих свойств. Образец похож на «Жвачку для рук ХАНДГАМ».Скатываем образец в шарик, резко бросаем его на стол. Шарик отскакивает от стола, как резиновый. Но в руке он становится мягким и податливым.
При использовании прозрачного клея другого производителя после добавления тетра бората натрия мы получили еще более мягкий и эластичный материал похожий на «Лизун» (Приложение лист III, рис. 5).
3. Исследование свойств неньютоновских жидкостей при непрерывном динамическом воздействии[8]
Для постановки эксперимента нужен мощный динамик и генератор звуковой частоты. В качестве усилителя и динамика можно использовать усилительную систему персонального компьютера, а в качестве генератора частоты компьютерные специализированные программы «SweepGen», NCH «ToneGenerator», «DigitalSignalGenerator» (Приложение лист III, рис. 6). Эти программы бесплатны и широкодоступны на сайте «https://cxem.net/software/soft-generator.php». В программе генератора была задана частота 30-40 Герц для интенсивной работы сабвуфера колонки. На динамик лучше поместить полиэтиленовую плёнку, в которую заливаем неньютоновскую жидкость. При включении системы, в жидкости образуются твёрдые тела разнообразной формы и размеров, эффектно взлетающие на небольшую высоту (Приложение лист IV, рис.6). При выключении системы, жидкость приобретает своё первоначальное состояние.
В результате экспериментальной проверки были получены образцы неньютоновской жидкости, обладающей свойством текучести без приложения нагрузки и свойствами упругого эластичного тела при изменении скорости приложении нагрузки.
Заключение
Поисково-исследовательская работа выполнена в рамках дисциплины «Физика».
Во время исследовательской работы охарактеризованы свойства и виды жидкостей.
Собрана и проанализирована информация о неньютоновской жидкости, сравнены свойства ньютоновских и неньютоновских жидкостей. В домашних и лабораторных условиях изготовлены два вида неньютоновской жидкости, изучены ее свойства. Раскрыты области применения неньютоновских жидкостей.
Подтверждена гипотеза нашего исследования -при некоторых условиях неньютоновская жидкость, ведет себя не как жидкость, а как твёрдое тело. Этот вид жидкости можно изготовить и использовать в домашних в домашних условиях. При увеличении скорости приложения нагрузки она становится упругой, т.е. приобретает свойства твердого тела.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- изучены доступные литературные и интернет – источники по методикам получения неньютоновских жидкостей, их свойствам, характеристикам и особенностям, а также определены практические области использования неньютоновских жидкостей;
- на основе изученных литературных и интернет – источников проведён анализ по методикам получения неньютоновских жидкостей и выбраны приемлемые варианты для проведения экспериментальных исследований;
- использованные методики позволили получить образцы неньютоновских жидкостей, провести экспериментальные исследования с целью выявления свойств и характеристик полученных неньютоновских жидкостей, провести их сравнительный анализ;
- проведёнными исследованиями доказано: существуют жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона, в зависимости от градиента (изменения скорости) прикладываемого внешнего воздействия их вязкость изменяется, и они ведут себя либо как жидкости, либо как твердые тела.
Список литературы и интернет – источников.
1. П. И. Алтынов, Краткий справочник школьника. 5-11 кл. [Текст] / Авт.сост. П.И. Алтынов, П. А. Андреев, А. Б. Балжи и др. – М.: Дрофа, 1997. – 624 с.
2. 7 веществ, нарушающих правила физики [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://scienceblog.ru/2009/07/06/7-veshhestv-narushayushhikhpravila-fiziki
3. Важнейшие физические свойства жидкости [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://studopedia.org/4¬172203.html (дата обращения: 12.01.2016).
4. Жвачка для рук [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.(дата обращения: 10.01.2016).
5. Неньютоновская жидкость в качестве брони [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://topwar.ru/73725-nenyutonovskaya¬zhidkost¬vkachestve¬broni.html
6. Свойства неньютоновских жидкостей [Электронный ресурс].Режим доступа:http://naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html
7. А. В. Тютиков, Загадки неньютоновской жидкости [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://journal.kuzspa.ru/articles/188/
8. «А Ньютона не пригласили» журнал «Популярная механика» (№5, Май 2012)
9. Программы «SweepGen», NCH «ToneGenerator», «DigitalSignalGenerator» Электронный ресурс. Режим доступа «https://cxem.net/software/soft_generator.php».
Приложение лист I, рис. 1
Изображение Ньютоновской жидкости.
Приложение лист I, рис. 2
Изображение Неньютоновской жидкости.
Приложение лист II, рис. 3.
Эксперимент №1 Изготовление образца неньютоновской жидкости из картофельного крахмала, красителя и воды.
Изучение свойств полученного образца неньютоновской жидкости из картофельного крахмала и воды.
Приложение лист II, рис. 4
Эксперимент №2 Изготовление образца неньютоновской жидкости из клея ПВА, красителя и тетра бората натрия (20% раствор в глицерине)
Изучение свойств полученного образца неньютоновской жидкости.
Приложение лист III, рис. 5.
Эксперимент 3 Изготовление образца неньютоновской жидкости из КМЦ,красителя и тетра бората натрия (20% раствор в глицерине)
Изучение свойств полученного образца неньютоновской жидкости.
Приложение лист IV, рис. 6
Исследование свойств неньютоновских жидкостей при непрерывном динамическом воздействии.