VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Неньютоновская жидкость
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель работы
1.Объяснить необычные свойства неньютоновской жидкости на основе
моих знаний по физике.
Задачи работы
1. Приготовить неньютоновскую жидкость.
2. Провести опыты с неньютоновской жидкостью.
3. Познакомиться с практическим применением неньютоновской жидкости.
Продукты
1.Самостоятельно полученная «неньютоновская» жидкость.
2. Кино- и фотохроника проведения эксперимента.
3. Компьютерная презентация.
Введение
Однажды я увидел в интернете видео, на котором «танцевала» какая-то необыкновенная жидкостью. Это было очень красиво и эффектно. Я решил выяснить, что же это за жидкость.
Так и началась моя работа над проектом.
Жидкость, которая танцевала, называется неньютоновской, то есть она ведёт себя не так, как обычная жидкость.
Неньютоновская жидкость – вязкая жидкость. Это жидкость, подчиняющаяся при своем течении закону вязкого трения Ньютона.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 неё.
Ньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит только от ее природы и температуры. Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.п.
Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от быстроты воздействия на неё. Вязкость — свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей. Я решил объяснить уникальные свойства неньютоновской жидкости проведением опытов и с помощью моих знаний по физике.
Практическая часть.
Примером неньютоновской жидкости является раствор крахмала.
Приготовление неньютоновской жидкости.
Для эксперимента я смешал примерно равные количества крахмала и воды. Просто в воду добавлял крахмал и размешивал, пока не получил жидкость, по густоте похожую на сметану. Необходимо для приготовления использовать холодную воду, т.к. в горячей воде взвесь превращается в клейстер.
Приборы и материалы:
Блюдце, мерный стакан, чайная ложка, 200г. крахмала, вода (рис. №1).
Ход работы:
Чайной ложечкой заполним мерный стакан крахмалом, а затем высыпим его на блюдце;
С помощью мензурки отмерим количество воды равное половине количеству крахмала и нальем в блюдце;
П
еремешаем нашу жидкость для получения однородной смеси.
Рис №1 – Приготовление неньютоновской жидкости
2
. Проведение опытов с неньютоновской жидкостью
Р
ис. №2 – Опыт №1
Р
ис №3 – Опыт №2
Рис №4 – Опыт №3
Результаты опытов и их анализ.
В результате опытов вязкость и плотность жидкости увеличивалась в зависимости от скорости воздействия на нее. Если медленно просунуть в нее руку, а затем резко ее поднять, то неньютоновская жидкость прилипала к моим рукам. Ощущение было такое, что руку зацементировали. Правда, продолжалось это недолго! Как только движение руки замедлилось, сцепление исчезло. Это можно объяснить тем, что начиная с некоторого значения скорости движения появляется твёрдая фаза. При замедлении движения восстанавливается жидкая фаза, и ведро отделяется от руки.
Если жидкость быстро разминать, то она превращается в твердое тело и из нее можно скатать шарик, как только я перестаю это делать, то она стекает как обычная жидкость. Чтобы жидкость оставалась твердой, на нее непрерывно надо воздействовать, месить.
При падении на большой скорости жидкость затвердевает. Например, при ударе молотком с большой скоростью увеличивался коэффициент вязкости данной жидкости (рис. №2), и она проявляла свойства твердого тела, тем самым мне легко удавалось вбить гвоздь в дощечку, плавающую в неньютоновской смеси (рис. №3). В подобном явлении я также убедился, проводя следующий опыт. Взял два пакета, один из которых наполнил водой, другой неньютоновской жидкостью. В каждый из пакетов я положил по сырому яйцу. Прочно завязал пакеты и бросил их с высоты на землю. Яйцо, находящееся в неньютоновской жидкости уцелело, т.к. при падении на поверхность, на большой скорости жидкость затвердевала, образуя защитную оболочку (рис. №4). При ускоренном воздействии на неньютоновскую жидкость она принимает свойства твердого тела.
4. Объяснение необычных свойств неньютоновской жидкости
1) Неньютоновская жидкость (водная смесь крахмала) может образовывать объёмные структуры при динамическом воздействии. Причем наблюдается небольшое запаздывание между временем образования структуры, имеющей свойства твёрдого тела, и временем возвращения суспензии в жидкое состояние. Это явление называется динамическим гистерезисом.
Если к неньютоновской жидкости прикладывать силу(напряжение) сдвига, меньшее по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Такое поведение объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. Как только напряжение сдвига превысит пороговое значение, жидкость начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение неньютоновскую жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.
Иными словами, если нажимать на неньютоновскую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться.
К таким жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы. А так же можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.
2
) Неньютоновская жидкость неоднородна, крахмал набухая в воде образует крупные твердые частицы. Из уроков физики мы знаем, что крупные тяжелые тела более инертны, то есть медленнее изменяют свою скорость (рис. №5). Это подтверждает второй закон Ньютона, который гласит: «ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе».
Рис №5
Ускорение тела - физическая величина, определяющая быстроту изменения скорости тела.
Инертность – свойство тела изменять свою скорость под воздействием других тел.
При ускоренном резком воздействии молекулы неньютоновской жидкости не успевают изменить свою скорость и остаются на месте, тем самым жидкость приобретает свойства твердого тела. Применяя свои знания по физике и жизненный опыт, мы предположили, что всё дело в молекулах крахмала, т.к. подобным свойствами не обладают другие взвеси. Молекулы крахмала – сложные, большие, т.е. они более инертные. Значит, для изменения скоростей этих молекул необходимо длительное воздействие. Поэтому, когда мы действуем быстро, ударяя по этой поверхности, бросая на нее мяч, молекулы не успевают сдвинуться с места и мы наблюдаем проявление свойств твердого тела. Если же воздействие будет длительным, молекулы успеют сместиться – разойтись и поглотить предмет, которым воздействовали на данную жидкость. Т.е. предмет утонет в ней. Пространство между плотно расположенными частичками крахмала при низких скоростях сдвига слоёв друг относительно друга успевает заполниться жидкостью (водой), которая действует, как смазка, и материал способен легко перетекать. При высоких скоростях сдвига жидкость не успевает заполнять свободное пространство, трение между частицами возрастает и вязкость увеличивается.
Мы придумали собственную модель неньютоновской жидкости – «толпа и человек», которая, как нам кажется, позволяет лучше представить процессы, происходящие в неньютоновской жидкости. Если человек, пробирающийся через толпу, делает это медленно – у него это хорошо получается, люди потихоньку смещаются, освобождая проход. Если же он делает это быстро (с разбегу), то у него ничего не получится, толпа будет выступать в роли стены.
А зачем же нужна неньютоновская жидкость?
Ну, поднимается ведро на руке, танцует жидкость на динамике, ну бегают по её поверхности некоторые товарищи, но это все развлечения. Неужели никто не нашёл неньютоновской жидкости более серьёзного применения!
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, когда же ей приходится иметь дело с телом большой массы (или движущимся на значительной скорости) — превращается в нечто твёрдое.
Авторы получили за эту разработку первый приз на инженерном конкурсе, спонсируемом французской материаловедческой компанией Saint-Gobain. Следующая цель изобретателей — коммерциализация продукта. По словам разработчиков, неньютоновская жидкость пришла им в голову из-за своей дешевизны (обычная грязь с водой— и та ведёт себя как неньютоновская жидкость) и особых физических свойств. Когда к ней не прилагают никаких сил, она течёт подобно жидкости, заполняя все щели и неровности. Когда же на неё попадает колесо (или воздействует иная нагрузка) — ведёт себя как твёрдое тело. И главное: в такой «дорожной заплатке» нечему ломаться, а распределение нагрузки на подстилающую поверхность стремится к идеальному (даже лучше, чем в обычном асфальте) и максимально близко к распределению в жидкостях.
Дождь не размоет эту заплатку, поскольку она в водонепроницаемом мешке. И колёса машины, естественно, ничего не смогут сделать: от мешка-заплатки нельзя отделить ни частички.
С неньютоновскими жидкостями человек сталкивается часто. Майонез, кетчуп, «жвачка для рук» и даже зыбучий песок или кровь проявляют часть свойств такой жидкости. Однако для дорожного ремонта они не подходят: здесь нужна неньютоновская жидкость, вязкость которой растёт при усилении воздействия.
Такими свойствами обладают детские игрушки на основе «жвачки для рук», но, по словам разработчиков, они выбрали значительно более дешёвый вариант. Он, впрочем, оказался чуть дороже обычного асфальта, применяемого сегодня для латания дорог: ведь водонепроницаемые мешки должны иметь очень прочную оболочку, оттого в её составе используются нити кевлара и силикона. Но чтобы уложить асфальт, нужна специальная техника и относительно квалифицированная рабсила, не говоря уже о затратах времени и энергии на предварительный разогрев покрытия (да и зимой такой метод малоэффективен). Ну а для неньютоновских заплаток нужно просто добавить в мешок воды и запаять затем маленькое входное отверстие. Теоретически после этого состав может и храниться (почти вечно), и немедленно использоваться. После того как городские власти соберутся с мыслями и всё же поменяют покрытие на такой залатанной дороге, мешки-заплатки можно подобрать и установить их на другой улице, куда дорожники-филантропы ещё не добрались.
Впрочем, «установить» — громкое слово: «неньютоновские мешки» можно возить в багажнике, а весь ремонт сводится к метанию мешка в район ямы, после чего он сам сползёт в неё, занимая весь свободный объём. Смесь тяжелее воды, поэтому установку можно проводить даже в сильнейший дождь, она не требует ни значительного времени, ни квалификации. Поверхность таких мешков будут делать чёрной, с тем чтобы водители не избегали таких «латок».
Разработчики уже проверили своё детище на настоящих весенних кливлендских дорогах. Несмотря на то что общая длительность экспериментов пока не превышает недели, даже в самых напряжённых в транспортном отношении местах никаких проблем использование мешков-заплаток не вызвало. Содержащаяся в них жидкость подобрана устойчивой как к зимним температурам, так и к солям дорожных реагентов. Более того, по расчётам, мешки можно использовать сотни раз, а для их удобного хранения можно слить воду, перед следующим употреблением просто добавив туда порошок-основу (состав которого патентуется) и воду.
У меня тоже есть предложение по использованию неньютоновской жидкости. Если рассматривать статистику дорожных транспортных происшествий, то можно увидеть огромный процент пострадавших в авариях от сжатия машин в «гармошку». Как можно обезопасить жизни водителей пассажиров? Как уже было выше сказано, неньютоновская жидкость даёт равное приложенному действию противодействие, соответственно, можно заливать эту жидкость в качестве защиты между внутренним и внешним, железным или пластиковым покрытием автомобиля. Как это поможет? При столкновении машина начнёт сминаться, но стоит внешнему слою дойти до неньютоновской прослойки как этот процесс остановится, и угроза человеческой жизни будет снята. В этом решении ещё много вопросов и подсчетов, которые нужно совершить.
Вывод
В результате этой работы я узнал, что такое неньютоновская жидкость, смог понять ее свойства на практике и объяснить ее поведение, используя свои знания по физике, а также опираясь на результаты опытов. Свойства неньютоновской жидкости активно используются в быту. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости. То же самое я заметил, оставив неньютоновскую жидкость на некоторое время. Через определенный промежуток времени она застыла. Подобное свойство неньютоновской жидкости используется при покраске. Как правило, неньютоновские жидкости состоят из крупных частиц, т.е. это вязкие жидкости, чем объясняется плохая текучесть данных жидкостей. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Также в косметологии используют свойство неньютоновской жидкости, для того чтобы она дольше держались на коже. Вязкость неньютоновской жидкости зависит от градиента скорости. Подобное поведение данной жидкости можно использовать для создания защитных средств, смягчающих удар при падении, а также бронежилетов. В подобном явлении я убедился, бросая яйцо в пакете с неньютоновской жидкостью с высоты на землю. Яйцо уцелело, т.к. при падении на поверхность, на большой скорости жидкость затвердевала, образуя защитную оболочку.
Интернет ресурсы:
Неньютоновская жидкость. [Электронный ресурс]. URS:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%BD%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B6%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C
Неньютоновские дороги: Заплаты на асфальте. [Электронный ресурс]. URS: https://www.popmech.ru/technologies/12611-nenyutonovskie-dorogi-zaplaty-na-asfalte/#part1