В ученической работе по физике на тему «Неньютоновская жидкость. Свойства и применение» автор узнает о свойствах неньютоновских жидкостей и о том, где они применяются, дает определение данного понятия и приводит классификацию неньютоновских жидкостей.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательской работы по физике о неньютоновской жидкости автор рассмотрел
имеющиеся теоретические данные об изучении неньютоновских жидкостей, рассмотрел сферы и способы применения неньютоновских жидкостей, провел социологический опрос учащихся и установил процент тех, кто знаком с определением и свойствами неньютоновсих жидкостей.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Неньютоновская жидкость. Свойства и применение» учащийся провел эксперимент по изготовлению неньютоновской жидкости, получил неньютоновскую жидкость в домашних условиях и провел с ней ряд опытов, в результате которых определил ее свойства. Эти знания помогут ежедневно использовать неньютоновские жидкости с большей пользой.

Оглавление

Введение
1. Неньютоновская жидкость.
1.1. Определение неньютоновской жидкости.
1.2 Кто изучает неньютоновские жидкости.
1.3 Классификация неньютоновских жидкостей.
1.4 Применение неньютоновских жидкостей.
2. Опрос студентов.
2.1 Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях.
2.2 Опыт №1. Проведение экспериментов из смеси крахмала и воды.
2.3 Опыт №2. Эффект Кайе.
Заключение
Список литературы

Всех нас окружают различные вещества: твердые и жидкие. Они есть везде – даже внутри нас. Но есть вещества которые ведут себя как твердые и жидкие в разных условиях – неньютоновские жидкости одни из них. Все вещества схожи одним признаком – они подчинены законам физики.

Актуальность моей работы состоит в том, что неньютоновские жидкости – важная составляющая нашей жизни, ими мы пользуемся каждый день и человек должен знать их свойства чтобы использовать их с максимальной пользой.

Цель работы: узнать о свойствах неньютоновских жидкостей и о том, где они применяются.

Задачи работы

1. Изучить литературу и узнать о свойствах и применении неньютоновской жидкости;
2. Получить неньютоновскую жидкость в домашних условиях и провести с ней ряд экспериментов, чтобы узнать её свойства;
3. Проанализировать результаты эксперимента и сделать выводы.

Предмет исследования: неньютоновская жидкость.

Объект исследования: жидкости.

Методы исследования: теоретический и экспериментальный.

Гипотеза: неньютоновская жидкость может иметь свойства как твердого тела, так и жидкого в зависимости от прикладываемой силы.

Неньютоновская жидкость – жидкость, при течении которой ее вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры

Простейшим наглядным бытовым примером является смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости молекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости.

Кетчуп, например, становится более жидким при встряхивании и, таким образом, является неньютоновской жидкостью. Многие солевые растворы и расплавленные полимеры являются неньютоновскими жидкостями, как и многие обычно встречающиеся вещества, такие как заварной крем, мед, зубная паста, суспензии крахмала, кукурузный крахмал, краски, кровь, топленое масло и шампунь.

В природе существуют четыре формы вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Жидкость – это среднее состояние между твердым и газообразным. Жидкость, в отличии от твердого вещества, не имеет свою определенную форму, а принимает форму сосуда, в котором она находится. В отличии от газа, имеет определенный объем, из-за того, что в жидкости молекулы связаны не так прочно, поэтому связи постоянно меняются. Но есть жидкости с особыми свойствами, их называют неньютоновскими.

Разницу обычной и неньютоновской жидкости можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1. Разница обычной и неньютоновской жидкости

Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология (от греч. Rheos - течение, поток и logos - слово, учение), наука, изучающая деформационные свойства реальных тел, наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает действующие на тело механические напряжения и вызываемые ими деформации. Термин "реология" ввёл американский учёный-химик Юджин Бингам.

Официально термин "реология" принят на 3-м симпозиуме по пластичности (1929, США), однако отдельные положения реологии были установлены задолго до этого. Реология тесно переплетается с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести. В основу реологии легли законы Исаака Ньютона о сопротивлении движению вязкой жидкости, уравнения Навье — Стокса для движения несжимаемой вязкой жидкости, работы Дж. Максвелла, У. Томсона и др. Значительный вклад внесён русскими учёными: Д. И. Менделеевым, Н. П. Петровым, Ф. Н. Шведовым и советскими учёными П. А. Ребиндером, М. П. Воларовичем, Г. В. Виноградовым и др.

С проблемами реологии приходится встречаться в технике при разработке технологии разнообразных производственных процессов, при проектных работах и конструкторских расчётах, относящихся к самым различным материалам: металлам (особенно при высоких температурах), композиционным материалам, полимерным системам (расплавам, растворам, композиционным материалам, резине), нефтепродуктам, глинам и другим грунтам, горным породам, строительным материалам (бетонам, битумам, силикатам и др.), дисперсным системам (пенам, эмульсиям, суспензиям, порошкам, пастам) пищевым продуктам и т.д.

Подраздел реологии - биореология изучает механические свойства биологических жидкостей (крови, синовиальной, плевральной жидкостей) и деформационные свойства мышц, сосудов у человека и животных. Поэтому с практической точки зрения исследования в этой области актуальны и совершенно необходимы. С чисто научной точки зрения изучение неньютоновских жидкостей также очень интересно и актуально, поскольку даже в простых течениях они могут проявлять поведение, качественно отличающееся от поведения обычной ньютоновской жидкости.

• 1 - нелинейновязкопластичная,
• 2 - вязкопластичная,
• 3 – псевдопластичная,
• 4 – ньютоновская,
• 5 – дилатантная

Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы:

1. неньютоновские вязкие жидкости
2. неньютоновские нереостабильные жидкости
3. неньютоновские вязкоупругие жидкости.

К первой группе относятся вязкие (или стационарные) неньютоновские жидкости, характеристики которых не зависят от времени. По виду кривых течения различают следующие жидкости этой группы: бингамовские (или вязкопластичные), псевдопластичные и дилатантные. Бингамовские или вязкопластичные (кривая 2) жидкости начинают течь только после приложения напряжения, превышающего предел текучести. При этом структура пластичной жидкости разрушается, и она ведет себя как ньютоновская. К бингамовским жидкостям относятся густые суспензии

(различные пасты и шламы, масляные краски и т.п.). Псевдопластичные жидкости (кривая 3) получили наибольшее распространение в рассматриваемой группе неньютоновских жидкостей. К ним относятся растворы полимеров, целлюлозы и суспензии с асимметричной структурой частиц, и т.п. Псевдопластичные жидкости, как и ньютоновские, начинают течь при самых малых значениях τ (напряжения трения).

Дилатантные жидкости (кривая 5) содержат жидкую фазу в количестве, позволяющем заполнить в состоянии покоя или при очень медленном течении пустоты между частицами твердой фазы. При увеличении скорости частицы твердой фазы перемещаются друг относительно друга быстрее, силы трения между частицами возрастают, при этом увеличивается кажущаяся вязкость.

К дилатантным жидкостям относятся суспензии крахмала, силиката калия, различные клеи и др. Нелинейно-вязкопластичные жидкости (кривая 1) начинают движение как только напряжение сдвига превысит статическое напряжение. Далее, с увеличением градиента скорости напряжение трения в жидкости возрастает нелинейно до величины, при которой заканчивается разрушение структуры. После этого поведение жидкости не отличается от ньютоновского. К этой группе жидкостей относится кровь.

Ко второй группе нереостабильных жидкостей относят неньютоновские жидкости, характеристики которых зависят от времени. Эти жидкости подразделяют на тиксотропные (кажущаяся вязкость которых во времени уменьшается) и реопектические (кажущаяся вязкость которых во времени увеличивается). К тиксотропным жидкостям относятся многие красители, некоторые пищевые продукты (простокваша, кефир, соус кетчуп, желатиновые растворы, майонез, горчица, мед), мыльный крем для бритья и т. д., вязкость которых снижается при взбалтывании. К реопектическим жидкостям можно отнести суспензии бентонитовых глин и некоторые коллоидные растворы.

К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелловские жидкости. Кажущаяся вязкость этих жидкостей уменьшается под воздействием напряжений, после снятия которых жидкости частично восстанавливают свою форму. К этому типу жидкостей относятся некоторые смолы и пасты тестообразной консистенции.

В военном производстве

В мире очень популярны данные жидкости. В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных (Рис.2). Данные бронежилеты по своим характеристикам лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Материал, из которого изготавливаются бронежилеты, называется D3O. Материал D3O, разработанный одноименной американской компанией, относится к дилатантным неньютоновским жидкостям. Фактически d3o ведет себя как хорошо охлажденная карамель, только еще более чувствителен к нагрузкам.

src="https://obuchonok.ru/files/zhidkost_2.jpg" class="center-img" alt="неньютоновсккая жидкость 2" />

В автомобильной промышленности

Так же неньютоновские жидкости используются в автомобильной промышленности. Моторные масла синтетического производства на основе неньютоновских жидкостей уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение

ГАПОУ "МРТК" филиал "Удачнинский" Мирнинский район Республика Саха (Якутия) в двигатели. Магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости, еще один представитель данного чуда природы. Состоят они из мелкодисперсных кристаллов магнетита, взвешенных в синтетическом масле, при воздействии на такую жидкость магнитным полем, жидкость увеличивает плотность в 100 раз, но все равно остается гибкой.

Данные жидкости применяют в новейших технологиях для амортизации некоторых элементов транспортного оборудования или механических машин. Реологические исследования позволяют решать прикладные гидродинамические задачи - транспорт неньютоновских жидкостей по трубопроводам, течение полимеров, пищевых продуктов, строительных материалов в перерабатывающем оборудовании, движение буровых растворов в пластах и т.д.

Перспективно применение высокодисперсных адсорбентов, например диатомитов, с адсорбированными на их поверхности веществами, способными образовывать с адсорбентами водородные связи (спирты, высшие жирные кислоты, амины). Суспензии применяют в качестве рабочей жидкости гидравлических систем, в виде тонких пленок в тормозных и др. устройствах, в т.ч. в коробках передач, генераторах крутильных колебаний и т. п.

В нефтепромышленности

Практический интерес представляет также использование специфических реологических эффектов. Так, малые полимерные добавки к воде и нефтепродуктам придают жидкости новые реологические свойства, благодаря чему резко снижается гидравлическое сопротивление при турбулентном течении (эффект Томса).

В косметологии

Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Блеск для губ, например, должен быть достаточно вязким, чтобы долго оставаться на губах, но не слишком вязким, иначе тем, кто им пользуется, будет неприятно ощущать на губах что-то липкое.

В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. В домашней косметике для тех же целей используют разные масла и воск. В гелях для душа вязкость регулируют для того, чтобы они оставались на теле достаточно долго, чтобы смыть грязь, но не дольше, чем нужно, иначе человек почувствует себя снова грязным. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости.

В кулинарии

Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте.

В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин, или майонез — тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму. Самые известные примеры таких салатов — селедка под шубой и оливье.

Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму. Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд. Например, йогурт или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.

Гипотезой моей работы является то, что неньютоновская жидкость может иметь твердое и жидкое состояние в зависимости от силы, а не температуры как обычная жидкость. Я решил это проверить проведя ряд опытов.

Если неньютоновская жидкость может иметь свойства как твердого тела, это означает, что по данной жидкости можно ходить. Я решил провести опрос среди студентов и узнать, что они думают об этом.

Студентам я задал следующие вопросы:

1. Можно ли ходить по воде?
2. Есть ли жидкости, по которым можно ходить?

Результат опроса следующий:

По итогам этого опроса я могу отметить, что чуть больше половины опрошенных не знают о том, что существуют жидкости, которые могут являться твердыми при определенных условиях. В том числе и вода – которая является твердой при низкой температуре.

Для того чтобы нам сделать простую неньютоновскую жидкость нам потребуется вода и крахмал, можно брать картофельный или кукурузный.

Пропорция воды и крахмала 1 к 2.

Сначала заливается вода в тару, в которой будет будущая жидкость, затем туда засыпается крахмал и все это перемешивается, по итогу должна получиться вязкая жидкость.

Если жидкость ударить рукой или молотком, то она будет проявлять свойства твердого тела. Жидкость очень мягкая и пробить ее нельзя, поскольку она останавливает удар. На рисунке 3 это все показано.

Из данной жидкости можно лепить шарики. Пока я применяю силу к шару, он остается твердым, но если я перестану лепить данный шар, то жидкость развалится.

Если на жидкость положить какой-либо предмет, и он не будет двигаться, то вскоре начнёт тонуть, как в зыбучих песках (рис.6). Для того чтобы достать этот предмет, придется доставать его медленно, если попытаться сделать это быстро, то на это уйдет больше силы. При процессе изъятия конфеты из жидкости, она потянется за ней комками снизу.

Также стоит отметить что после проведения опытов с данной жидкостью, ее надо слить в пакет и выкинуть в мусор, сливать ее в раковину нельзя, чтобы не засорять трубопровод крахмалом. Жидкость теряет свои свойства через 1 день с момента её получения, поскольку вода в ней испаряется.

Для данного эксперимента мне потребовался обычный шампунь, который тоже является неньютоновской жидкостью. Если шампунь маленькой струйкой лить на поверхность, которая покрыта этим же самым шампунем, то будет проявляться интересный эффект, при котором жидкость будет отскакивать сама от себя. Это происходит потому что у неньютоновских жидкостей, которой шампунь и является, имеется очень интересное свойство менять свою вязкость при нарастании напряжения сдвига.

Эффект был открыт в 1963 году, когда британский инженер Артур Кайе (Arthur Kaye) проводил эксперименты со смесями органических жидкостей. В одном из опытов он заметил необычное поведение струи жидкости, падающей в чашу на горизонтальную поверхность той же жидкости. Учёный увидел, что тонкая струйка падающей жидкости вырвалась на поверхность, как струя фонтана, будто она отскочила от какой-то преграды внутри покоящейся жидкости.

При выполнении данной работы я узнал много нового и интересного о жидкостях и узнал о свойствах таких жидкостей, как неньютоновские.

Гипотеза о том, что неньютоновские жидкости могут иметь свойства как твердого тела, так и жидкого тела в зависимости от силы воздействия подтвердилась.

По результатам опытов я могу сказать, что неньютоновскую жидкость можно сделать в домашних условиях из простых подручных средств. С ней можно провести много опытов, результатом которых будет один вывод: при сильном воздействии на жидкость будет ощущаться её сопротивление, а при слабом воздействии оно будет минимальным.

Моей целью было узнать о свойствах жидкости, о том где она применяется и подтвердить свою гипотезу.

Поставленные задачи полностью выполнены.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.