Исследовательская работа по неньютоновским жидкостям

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Змиёвская средняя общеобразовательная школа»
Исследовательская проектная работа
по теме
«Неньютоновская жидкость»
Работа ученика 10 класса:
Чеснокова Сергея Константиновича
Руководитель проекта:
Нестерова Элона Александровна
Работа допущена к защите «_____» _________________ 2023г.
Подпись руководителя проекта _________________ (Нестерова Э.А.)
Змиёвка
2023 г.
1
Содержание:
Введение…………………………………………………………… 3
1.Теоретическая часть…………………………………………….. 4
1.1 Что такое неньютоновская жидкость?...................................... 4
1.2 Теория неньютоновских и ньютоновских жидкостей………..4
1.3 Какая наука занимается изучением неньютоновских жидкостей?...5
1.4 Классификация неньютоновских жидкостей………………….6
1.5 Применения неньютоновских жидкостей…………………….8
2. Практическая часть………………………………………..10
2.1 Приготовление неньютоновской жидкости………………….10
2.2 Опыт с яйцом……………………………………………………11
2.3 Опыт с гвоздём………………………………………………….11
2.4 Реакция неньютоновской жидкости на удар ………………….11
2.5 Связь молекул в неньютоновской жидкости…………………..11
Заключение……………………………………………………………12
Список используемой литературы………………………………….13
Приложения……………………………………………………………14
2
Введение:
Ни один человек не может уйти от реального материального мира,
окружающего его и в котором он сам живёт. Природа, быт, техника и всё то,
что нас окружает и в нас самих происходит, подчинено единым законам
происхождения и развития – законам ФИЗИКИ.
Данная работа посвящена тем жидкостям, которые не изучаются в школе на
уроках физики, химии, биологии и не все порой знают о её существовании.
Но по сути дела, эти жидкости обладают удивительными свойствами и очень
интересны для изучения. При очень малых нагрузках эти жидкости мягкие,
текучие и эластичные, а при больших становятся твёрдыми и упругими. Речь
идёт о неньютоновских жидкостях. Именно эта жидкость меня очень
заинтересовала и я хочу рассказать о её свойствах и провести интересные
опыты.
Цель: узнать свойства неньютоновской жидкости и её применения в
повседневной жизни
Задачи:
1. Узнать различия обычной и неньютоновской жидкости.
2. Приготовить неньютоновскую жидкость.
3. Провести эксперименты для изучения её свойств.
4. Узнать её применение.
5. Сделать выводы.
Гипотеза: при увеличении скорости воздействия какого-либо твёрдого тела
на неньютоновскую жидкость, она проявляет свойства твёрдого вещества.
Актуальность:
Нас окружает огромное количество жидкостей. Люди на 60% состоят из
жидкости, мы пьем жидкости, готовим жидкости, моемся жидкостью, следим
за техникой с помощью жидкостей. Основным свойством привычной нам
жидкости является то, что она способна менять свою форму под действием
механического воздействия. Однако не все жидкости ведут себя привычным
образом, такие жидкости называют неньютоновские жидкости.
3
1. Теоретическая часть
1.1 Что такое неньютоновская жидкость?
Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой
её вязкость зависит от градиента скорости. 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. Чем быстрее происходит
внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего
вещества, тем выше вязкость жидкости.
1.2 Теория неньютоновских и ньютоновских жидкостей:
Чтобы сформулировать теорию неньютоновских и ньютоновских
жидкостей, нужно разобраться, что такое жидкость вообще. Жидкость – это
одно из агрегатных состояний вещества. Всего их три: твёрдое, жидкое и
газообразное. Твёрдое вещество имеет форму и свой объём; жидкость не
имеет форму, но может сохранять свой объём; газообразное вещество не
имеет формы и объёма. В отличии от твёрдых и газообразных состояний в
жидкостях молекулы связаны не так прочно, поэтому связи постоянно
меняются. Но есть жидкости с особыми свойствами, которые называются
неньютоновскими. В чём же её различия от обычных жидкостей? Ответы на
эту тему приведены в таблице 1.
Таблица 1
Жидкости
Неньютоновские
жидкости
Основное свойство - Текучесть зависит от
текучесть
силы
и
скорости
воздействия,
т.е.
текучесть
может
отсутствовать
при
некоторых условиях
Вязкость
природы
зависит
от Вязкость
зависит
от
градиента
скорости
воздействия
4
При
применении
механических усилий –
остаются в жидком
состоянии
При применении резких
механических усилий –
принимает
свойство
твёрдых тел
При
медленном
воздействии ведёт себя
как обычная жидкость
К ньютоновским (обычным жидкостям) относятся однородные жидкости.
Ньютоновская жидкость – это вода, масло, спирт, бензин, нефтепродукты и
другие, привычные нам в повседневном использовании текучие жидкости,
которые всегда сохраняют свою текучесть (если речь не идёт об испарении и
кристаллизации).
Разберёмся, почему эти жидкости имеют такие названия. Этим они обязаны
великому учёному Сэру Исааку Ньютону (1643 – 1727).
В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести
вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленнее. Он
сформулировал закон, согласно которому при сдвиговых течениях
касательные напряжения между слоями жидкости увеличиваются
пропорционально относительной скорости движения соседних слоёв
(оригинальная формулировка Ньютона в переводе А. Н. Крылова:
«Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при
прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с
которой частицы жидкости разъединяются друг от друга»). Ньютон
дополнительно обратил внимание на особенности жидкостей, когда пытался
моделировать движение планет Солнечной системы посредством вращения
цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. Если поддерживать вращение
цилиндра, то постепенно вращение передаётся всей массе жидкости.
Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали
использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие
одинаковое распространение.
Эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости жидкостей.
1.3 Какая наука
жидкостей?
занимается
изучением
неньютоновских
Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология (от греч. rheosтечение, поток и logos-слово, учение) - наука, изучающая деформационные
5
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 3м 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.
1.4 Классификация неньютоновских жидкостей:
Кривые течения жидкости
1. Нелинейно - вязкопластичная
2. Вязкопластичная
3. Псевдопластичная
4. Ньютоновская9
5. Дилатантная
6
Неньютоновские жидкости принято разделять на три 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 кривым течения жидкостей различают
следующие жидкости этой группы: вязкопластичные,
псевдопластичные и дилатантные. Вязкопластичные (кривая
2) текут после приложения напряжения, превышающего
предел текучести. При этом структура пластичной жидкости
разрушается, и она начинает вести себя как ньютоновская . К
таким жидкостям относятся густые суспензии (различные
пасты, масляные краски и т.д.).
Псевдопластичные жидкости (кривая 3) получили наибольшее
рассмотрение среди неньютоновских жидкостей. К ним
относятся растворы полимеров, суспензии и целлюлозы с
ассиметричной
структурой
частиц
и
другие.
Псевдопластичные, как и ньютоновские, текут после
приложения малого значения 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 относительно друг друга быстрее, силы
трения между частицами возрастают, при этом увеличивается
кажущаяся вязкость. К дилатантным жидкостям относятся
суспензии крахмала, силиката калия, различные клеи и
другие.
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
7
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.
1.5 Применения неньютоновских жидкостей
В военном производстве:
Защита человеческого тела от различного оружия является
актуальной задачей на протяжении многих веков. Одним из новых
решений в области создания бронежилетов может стать броня на
основе неньютоновской жидкости. Таким образом, на смену кевлару
может прийти жидкость. Работу в этом направлении сегодня ведут
польские ученые из Института технологий безопасности Moratex.
Они решили найти военное применение давно известному веществу
— неньютоновской жидкости, вязкость которой при течении
зависит от градиента скорости. Жидкая броня от польских
специалистов получила обозначение STF — Shear-Thickening Fluid.
Она в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы
высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную
волну по большой площади.
В отличие от обыкновенных жидкостей, которые могут изменять
свою структуру в зависимости от колебаний давления или
температуры, неньютоновские жидкости в состоянии изменять
также свою вязкость в стрессовых условиях. Говоря проще, они
могут очень быстро превращаться в прочный материал. Это
происходит при достаточно сильном ударе, к которому можно
отнести попадание в объект пули. (Приложение 1)
8
В автомобильной промышленности:
Неньютоновские жидкости используются в автомобильной
промышленности. Моторные масла синтетического производства на
основе неньютоновских жидкостей уменьшают свою вязкость во
много раз и при повышении оборотов двигателя уменьшают трение.
Также неньютоновские жидкости применяются в новых
технологиях для амортизации некоторых элементов транспортного
оборудования
или
механических
транспортных
средств.
Перспективно и использование высокодисперсных адсорбентов в
качестве рабочей жидкости гидравлических систем, в виде тонких
плёнок в тормозной системе, в коробках передач и в генераторах
крутильных колебаний. (Приложение 2)
В косметологии:
Чтобы косметика держалась на коже, её надо сделать более вязкой,
будь это лосьон, блеск для губ, тушь или лак для ногтей. Вязкость
для любого изделия применяется индивидуально, в зависимости от
того, для какой цели оно предназначено.
В массовом производстве косметики используются модификаторы
вязкости. В домашней косметике для таких целей используются
различные масла и воск. Вязкость готового косметического средства
изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости.
Например, в гелях для душа вязкость регулируют для того, чтобы
они долго оставались на теле человека, чтобы смыть грязь, но не
дольше чем нужно, чтобы человек снова не чувствовал себя
грязным. (Приложение 3)
В кулинарии:
Неньютоновские жидкости используются в кулинарии. Чтобы
улучшить оформление блюд, сделать их более аппетитными и чтобы
их легче было употреблять, в кулинарии используют вязкие
продукты питания, как раз таки это пример неньютоновских
жидкостей. Продукты с большой вязкостью, например соусы, очень
намазывать на другие продукты, к примеру, на хлеб. Их используют,
чтобы удерживать слои продуктов на месте. Также эти соусы
используются для украшения блюд.
9
В бутербродах для таких целей используют масло, маргарин или
майонез – тогда сыр, мясо, рыба, колбаса или овощи не
соскальзывают с хлеба. В салатах также используют вязкие
вещества – майонез и другие вязкие соусы, чтобы салат держал
форму. Примеры таких салатов – оливье или селёдка под шубой.
Если вместо вязких соусов использовать, например, оливковое
масло и другие невязкие соусы в бутербродах, то овощи, сыр, мясо и
другие на хлебе продукты будут соскальзывать с него и не будут
держать форму и есть их будет неудобно. (Приложение 4)
В игрушках
Раньше самой популярной в мире была игрушка «лизун», которая является
примером неньютоновской жидкости. Ей можно придать любую форму, но
при длительном состоянии покоя она растекается. (Приложение 5)
2. Практическая часть
2.1 Приготовление неньютоновской жидкости
Для приготовления неньютоновской жидкости нам понадобятся:
1. Чистая вода комнатной температуры
2. Кукурузный или картофельный крахмал
3. Ёмкость, желательно не слишком маленькую миску
Чтобы узнать, получилась ли неньютоновская жидкость, нужно соблюдать
пропорцию для смешивания – 2:1, то есть на два стакана крахмала
потребуется один стакан воды. Иногда предлагается более жидкий вариант,
пропорции 1:1 или 3:2. Можно смотреть по собственным ощущениям.
Жидкость не должна быть жидкой и твёрдой, а должна быть вязкой, и по
внешнему виду напоминать сметану. Последовательность смешивания
ингредиентов не имеет значения. Не рекомендуется всё смешивать ложкой, и
тем более, миксером, лучше собственными руками. Когда субстанция готова,
можно проводить с ней опыты, которые будут рассмотрены в данной работе.
После проведения опытов ни в коем случае нельзя выливать жидкость в
раковину, иначе может произойти засор. Жидкость нужно аккуратно слить в
целлофановый пакет и выкинуть в мусор. (Приложение 6)
10
2.2 Опыт с яйцом
Проведём первый опыт с ньютоновской и неньютоновской жидкостями. Для
нам понадобятся вода, неньютоновская жидкость, ёмкости для обоих
жидкостей, яйцо.
Берём яйцо и с небольшой высоты бросаем его в ёмкость с неньютоновской
жидкостью. Яйцо не разбилось. То же яйцо бросаем в другую ёмкость, в
которой налита простая вода и также с небольшой высоты бросаем яйцо в эту
ёмкость. При падении яйцо треснуло. Этот опыт показывает, что при ударе о
неньютоновскую жидкость один её слой становится твёрдым, следующий
становится плотным. Яйцо не разбилось, так как распределению плотности
погасило свою скорость. (Приложение 7)
2.3 Опыт с гвоздём
Теперь проведём опыт с забиванием гвоздя. Для этого я попытался забить
гвоздь в деревянный брусок в простой воде и в неньютоновской жидкости. В
воде брусок под ударами сразу же оказывался под водой и гвоздь забить не
удалось. В неньютоновской жидкости брусок не утонул, а только немного
пружинисто проседал, и гвоздь забить удалось.
Этот опыт показывает, что неньютоновская жидкость под воздействием сил
проявляет свойства твёрдого тела. (Приложение 8)
2.4 Реакция неньютоновской жидкости на удар
Если неньютоновскую жидкость ударить рукой, то, как было выше сказано,
она проявляет свойства твёрдого тела. Жидкость очень мягкая и пробить её
невозможно, так как она останавливает удар. (Приложение 9)
2.5 Связь молекул в неньютоновской жидкости
Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде
хаотически сплетенных 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 расходятся. (Приложение 10)
11
Заключение
При выполнении данной исследовательской работы я узнал много
интересного и нового. Узнал о свойствах, по сути дела, уникальной
жидкости, как неньютоновской.
Подтвердилась гипотеза, что при увеличении скорости взаимодействия
любого твёрдого тела на неньютоновскую жидкость, она проявляет свойства
твёрдого вещества.
Неньютоновскую жидкость можно очень легко сделать в домашних условиях
из простых подручных средств. С ней можно провести много интересных
опытов и сделать вывод, что при сильном воздействии на жидкость будет
ощущаться её сопротивление, а при слабом минимальное.
Главная цель работы достигнута: узнать свойства неньютоновской жидкости
и её применения. Благодаря опытам удалось выяснить её некоторые
особенности.
12
Список используемой литературы:
1. https://www.youtube.com/watch?v=rBAkRCTme3I
2. https://www.youtube.com/watch?v=6SsylanUJLE
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Неньютоновская_жидкость
4. https://academy-of-curiosity.ru/eksperimenty-i-opyty/nenyutonovskayazhidkost-dlya-detej-delaem-doma-i-igraem/
5. https://topwar.ru/73725-nenyutonovskaya-zhidkost-v-kachestve-broni.html
6. https://drofa-ventana.ru/material/issledovanie-nenyutonovskoy-zhidkosti7277/
13
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
14
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
15
Приложение 6
16
Приложение 7
17
Приложение 8
Приложение 9
18
Приложение 10
19