VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Я знаю точно: невозможное-возможно!
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Она была на воде, невдалеке, с правой стороны, и её медленно относило волной. Она отступала, полуоборотясь ко мне… Видя, что я смотрю, она кивнула и сказала: «Это не так трудно, как я думала. Передайте моему жениху, что он меня более не увидит. Прощай и ты, милый отец! Прощай, моя родина!»… И вот, с волны на волну, прыгая и перескакивая, Фрези Грант побежала к тому острову. Тогда опустился туман, вода дрогнула, и, когда туман рассеялся, не видно было ни девушки, ни того острова…» (А.Грин «Бегущая по волнам»[2]). Прочитав роман Александра Грина «Бегущая по волнам», я выдвинул гипотезу
Человек может ходить по воде
Поставил перед собой цель: исследовать возможность существования жидкости, обладающей свойствами твердого тела, и выяснить её применение в жизни человека.
Поставил перед собой задачи:
изучить вопрос: «Возможно ли передвижение человека по воде или другой жидкости» (на основе анализа предположений и научных фактов);
исследовать физические свойства данной жидкости;
определить область применения в жизни человека.
Применил методы исследования:
теоретический: анализ художественной, справочной и научной литературы
экспериментальный: проведение опытов
Основная часть
Жидкость способная быть твердой
Вода считается самым необычным минералом на Земле, по мнению некоторых геологов. Помимо того, что благодаря воде вообще существует жизнь на нашей планете, она обладает рядом интересных физических особенностей: например, образует поверхностную пленку натяжения, настолько прочную, что при определенной ловкости рук на нее можно положить металлическую иголку. Некоторые небольшие насекомые, такие как водомерки, пользуются этим и очень быстро гоняют по поверхности воды, как конькобежцы по льду (фото 1). Или улитки, которые прилепляются своей ногой к нижней части этой пленки и ползут по ней, как будто это твердая поверхность. Вода - достаточно плотная среда, в 800 раз плотнее воздуха, и по ней мог бы ходить и человек, но только если бы развивал скорость 140 км/ч (39 м/с).
Кажется, что никакое существо тяжелее улитки не может так смело опираться на нее, будто на земную твердь. Но такое существо есть, и оно намного тяжелее улитки. "Это был василиск, - писал американский зоолог Арчи Карр, зеленый, как салат, с яркими глазами, около 14 дюймов в длину.
фото 1 - водомерки фото 2 - василиск
Потеряв равновесие, он камнем упал в черную реку и сразу погрузился в воду, но через мгновенье очутился на поверхности и побежал по воде. Передние лапы он нес перед собой, хвост изогнул кверху, а задними лапами молотил поверхность воды со скоростью пулемета. Быстрота шлепанья была столь значительна, что ящерица не тонула»(фото 2) [7]. Таким образом, я выяснил, что передвижение человека по воде невозможно, но, тем не менее, возможно передвижение некоторых насекомых и животных.
Так, может, существует жидкость, по которой возможно передвижение человека? Изучив научную литературу, я выяснил, что существует Неньютоновская жидкость - вязкая жидкость, коэффициент вязкости которой зависит от приложенного напряжения. Рассмотрим графики зависимости кривых текучести γ-t и зависимости эффективной вязкости h от напряжения сдвига t (фото 3) [5]:
а - диаграмма для Ньютоновской жидкости;
б, г - диаграммы для Неньютоновских жидкостей, у которых вязкость снижается с ростом текучести и напряжения;
в - диаграмма для Неньютоновской жидкости, у которой вязкость повышается с ростом текучести и напряжения;
д - диаграмма для вязкопластического тела с пределом текучести q;
Если вязкость жидкости постоянна, то жидкость называется Ньютоновской, а её кривая текучести - прямая линия (линейная зависимость), в случае Неньютоновской жидкости зависимость нелинейная [4].
Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды (фото 4). Чем с большей скоростью происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости. При смешивании крахмала с водой частицы крахмала набухают, и между ними формируются физические контакты в виде хаотически сплетенных между собой групп молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешнее воздействие, как упругая пружина. При медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться, сетка рвется, и молекулы равномерно расходятся [1].
фото 3 - график фото 4
Приготовив такую жидкость, я провел опыты:
Налив жидкость в ладонь, быстрыми движениями скатал шарик, при остановке движения жидкость стекла сквозь пальцы (фото 5).
При медленном опускании пальцев и ладоней в жидкость, я обнаружил, что Неньютоновская жидкость ведет себя как обычная, но стоит резко выдернуть ладони, как она твердеет и я наблюдал поднятие стеклянной миски вместе с ладонями (фото 6).
При резком ударе пальцем или кулаком ощущал твердую поверхность, а руки оставались чистыми.
Попробовал забить гвоздь на поверхности воды, ничего не получилось, а на поверхности Неньютоновской жидкости это получилось с первого раза. При резком ударе жидкость мгновенно твердеет. Брусок остается на поверхности, и гвоздь легко заходит в дерево (фото 7).
Поместил сырое яйцо в пакет с водой и бросил с некоторой высоты, при ударе яйцо разбилось. Проделал то же самое, но вместо воды поместил сырое яйцо в Неньютоновскую жидкость. После падения яйцо осталось невредимым.
Я задумался, а сможет ли такая жидкость выдержать вес человека, возможно ли человеку передвигаться по ней? Для проведения такого опыта необходима емкость большого размера, поэтому мне пришлось найти в Интернете видеосюжет, который прекрасно подтверждает, что по поверхности жидкости можно не только ходить, бегать, но даже и танцевать, главное, помнить, что Неньютоновская жидкость твердая, пока есть движение, а в состоянии покоя твердость теряется (фото 8) [1].
фото 5 фото 6
фото 7 фото 8
Применение неньютоновской жидкости
Неньютоновские жидкости используются в автопроме: моторные масла синтетического производства уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз при повышении оборотов двигателя, уменьшают трение в двигателе.
Для того чтобы защитить авиапассажиров разработана «жидкая сумка», которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость может служить отличной «упаковкой» для взрывоопасных грузов и использоваться в бронежилетах.
В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы. 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. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
Меня заинтересовало применение ещё одной разновидности неньютоновской жидкости – хендгам или умный пластилин. Ещё во II веке до нашей эры китайские мудрецы утверждали, что действия рук сказываются на развитии мозга человека. Древние даосы говорили, что массаж пальцев укрепляет тело и гармонизирует дух, а также оказывает благоприятное влияние на деятельность мозга. Все мыслительные процессы сознания, как осознанные, так и неосознанные, отражаются на мелких движениях пальцев, положении рук и жестикуляции. Степень развития речи детей находится в прямой зависимости от уровня сформированности мелкой моторики рук [3]. Развивать тонкую моторику необходимо в любом возрасте — как детям, так и взрослым! На выручку родителям и их малышам приходит умный пластилин, который рекомендован для детей от 3-х лет. Малышу будет приятно играть с хендгамом, потому что он не липнет к рукам и не пачкает вещи, как обычный пластилин. Это такая мягкая и приятная на ощупь пластилиноподобная масса. Хорошо мнётся, растягивается и рвётся. Её легко приготовить в домашних условиях, для этого необходимо приобрести клей ПВА, натрия тетраборат и любой краситель [6] (фото 9). Я попробовал изготовить хендгам, и у меня это получилось (фото 10).
фото 9 фото 10 фото 11
Главное это экономично и экологично, и любому ребенку понравится сделать развивающую игрушку своими руками (фото 11).
Заключение
Вывод: В результате проведенных опытов я выяснил, что при быстром взаимодействии неньютоновская жидкость ведет себя, как твердое тело, а при медленном, как обычная жидкость. Для того, чтобы неньютоновская жидкость оставалась твердой, на неё надо непрерывно воздействовать или месить.
Таким образом, я выяснил:
что человек может ходить по воде, если только немного изменить её свойства,
что неньютоновская жидкость имеет большое прикладное значение, связанное с применением её в жизни человека.
А значит, я знаю точно: невозможное - возможно!
Список литературы
Галилео. Неньютоновская жидкость [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=ujozw8rYhfs
Грин А.С., «Бегущая по волнам», издательство «Азбука», 2016г.
Мальцева И.В. «Пальчиковые игры. От рождения до 3 лет», издательство
«Азбука», 2009г.
Неньютоновская жидкость [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/неньютоновская жидкость
Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости, пер. с англ., М., 1964
ЭКСперимент-Handgum умный пластилин [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=G_eXGIxn0Ws&feature=player_embedded
Энциклопедия Физики и техники. www.femto.com.ua