«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 9
имени Героя Российской Федерации А.В.Крестьянинова»
______________________________________________________________________
143905 Московская область, г. Балашиха, ул. Кудаковского, д.7
e-mail:schoolnom9@mail.ruT\fax 8-495-523-33-60
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
на тему:
Неньютоновская жидкость.
Предмет: Физика
Автор работы:
ученик 9 «А» класса
Кононенко Роман Сергеевич
Научный руководитель:
Лопатина Наталья Борисовна
Балашиха - 2020
Паспорт проекта
Содержание:
1.Цели и задачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.Введение и актуальность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
3.Основная информация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
4.Что такое ньютоновская жидкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
5.История появления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
6.Что такое неньютоновская жидкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
7.Их разница. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
8.Приминение неньютоновских жидкостей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
А) В военном производстве. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Б) В автомобильной промышленности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
В) В медицине. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Г) В нефтепромышленности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Д) В кулинарии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Е) В косметологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
9.Эксперементальная часть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
10.Слайм и неньютоновская жидкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
11.Виды слаймов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
12.Рецепты изготовления слаймов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
13.Признаки сравнения слаймов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
14.Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
15.Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
16.Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Цель работы:
Рассмотреть перспективы использования неньютоновской жидкости в быту и промышленности.
Задачи работы:
Выяснить, что такое неньютоновская жидкость,
Найти разницу между ньютоновской и неньютоновской жидкостью,
Выявить свойства неньютоновской жидкости с помощью эксперимента.
Выяснить о областях применения неньютоновской жидкости в жизни человека.
Актуальность
Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.
Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Я заинтересовалась необычными свойствами таких жидкостей и провели несколько опытов.
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.
Природа – настоящая физическая лаборатория, в которой человек должен быть активным наблюдателем, творцом, но не рабом природы, неспособным хотя бы приближенно объяснить наблюдаемые им природные явления. С самого рождения каждый человек знакомится с веществами, окружающими его, подрастая, человек начинает отличать разного рода жидкости от газов или твёрдых тел, понимая какие отличительные свойства присущи веществам. В малом возрасте ребёнок не сильно задумывается над этими интересными признаками, не понимает, почему вода - это жидкость, а снег - твёрдое тело… Чем старше становится человек, тем шире становится область его знаний, тем глубже он понимает суть вещей. Так для каждого человека наступает момент, когда под понятием жидкость он будет понимать не просто молоко или же воду, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости делят на идеальные и реальные. Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью. Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Основная информация — Ньютоновская и Неньютоновская жидкость. Жидкости могут быть классифицированы на два типа в зависимости от вязкости как Ньютоновские жидкости и Неньютоновские жидкости. Ключевое различие между Ньютоновскими и Неньютоновскими жидкостями заключается в том, что Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, тогда как Неньютоновские жидкости имеют переменную вязкость.
Что такое ньютоновская жидкость?
Нью́тоновская жи́дкость — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости в такой жидкости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость.
{\displaystyle \tau =\mu {\frac {\partial u}{\partial y}}}Из определения, в частности, следует, что ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления, и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода.
{\displaystyle \tau _{ij}=\mu \left({\frac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)}Если жидкость не подчиняется этим отношениям, то её в противоположность называют неньютоновской жидкостью: растворы полимеров, ряд твердых суспензий и большинство очень вязких жидкостей.
История появления ньютоновской жидкости.
В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. 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.
Что такое неньютоновская жидкость?
Ненью́то́новской жи́дкостью 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.
В чем разница между Ньютоновской и Неньютоновской жидкостью?
Все жидкости классифицируются на два типа в зависимости от вязкости как Ньютоновские жидкости и Неньютоновские жидкости. Основное различие между Ньютоновскими и Неньютоновскими жидкостями заключается в том, что Ньютоновские жидкости имеют постоянную вязкость, тогда как Неньютоновские жидкости имеют переменную вязкость.
Кроме того, при рассмотрении скорости сдвига и напряжения сдвига в ньютоновских жидкостях наблюдается нулевая скорость сдвига при нулевом напряжении. Это означает, что скорость сдвига в такой жидкости прямо пропорциональна напряжению сдвига. Однако Неньютоновские жидкости имеют переменную связь между скоростью сдвига и напряжением сдвига. Хотя большинство известных нам жидкостей являются Неньютоновскими жидкостями, вода считается Ньютоновской жидкостью. Однако почти все соли, расплавленный полимерный материал, кровь, зубная паста, краска, кукурузный крахмал и многие другие разновидности жидкостей являются Неньютоновскими жидкостями.
В мире, как ни странно, очень популярны данные жидкости. 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.
Применение в военном производстве.
В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных. 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.
Если нажимать на d3o мягко, то есть с небольшим возрастанием силы нажатия– он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении градиента скорости деформации компенсировать трение между частицами и, соответственно, обеспечить дрейф их друг относительно друга не получается, в результате чего в d3o образуется мгновенная жесткая структура, обусловленная уже обычным, сухим трением между частицами – именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала.
Последний на данный момент успешный проект «жидкостной брони» был создан английским отделением компании BAE Systems. Их состав Shear Thickening Liquid появился в 2010 году и планируется к использованию не в самостоятельном виде, но в сочетании с кевларовыми листами. Состав своей неньютоновской жидкости для бронежилета BAE Systems по понятным причинам не разглашают, однако, зная физику, можно сделать определенные выводы. Скорее всего, это водный раствор какого-либо вещества, который имеет наиболее подходящие характеристики вязкости при сильных ударах. В проекте Shear Thickening Liquid дело, наконец, дошло до создания полноценного бронежилета, хотя и опытного. При той же толщине, что у 30-слойного кевларового жилета «жидкостный» имеет втрое меньшее количество слоев синтетической ткани и вдвое меньший вес. Что касается защиты, то «жидкостный бронежилет» с гелем STL имеет почти такие же показатели защиты, как у 30-слойного кевларового. Еще в 2010 году начались испытания готового опытного бронежилета на основе геля. Для этого обстреливались опытные и контрольные образцы. 9-миллиметровые пули патрона 9х19 мм Люгер выстреливались из специальной пневматической пушки с дульной скоростью порядка 300 м/с, что в некоторой мере аналогично большинству типов огнестрельного оружия под этот патрон. Характеристики защиты экспериментального и контрольного бронежилета оказались примерно одинаковыми. (см. приложение 1)
Применение 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 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 материалах повышают ресурсы станков и приборов. Можно увеличивать скорость судна путем впрыскивания вблизи его носовой части малых количеств полимерного раствора. (см. приложение 2)
Применение в медицине.
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. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать.
Применение 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.
Неньютоновые жидкости обладают рядом особенностей. Например, они имеют память. Дело в том, что время, характерное для процесса перестройки длинных молекул, может превышать время наблюдения за течением жидкости. Течение не успевает перестроиться, имеет место эффект запаздывания, а значит, эффект памяти. Двигаясь в трубе, жидкость испытывает силу трения о ее поверхность, в результате чего кинетическая энергия переходит в тепловую. Поэтому снижение силы трения является важной технической.
Применение 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. (см. приложение 3)
Применение в косметологии.
Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
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.
Наибольшая вязкость — у мазей. Вязкость кремов — ниже, а лосьоны — наименее вязкие. Благодаря этому лосьоны ложатся на кожу более тонким слоем, чем мази и кремы, и действуют на кожу освежающе. По сравнению с более вязкой косметикой, их приятно использовать даже летом, хотя втирать их нужно сильнее и чаще приходится наносить повторно, так как они долго не задерживаются на коже. Кремы и мази дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее ее увлажняют. Их особенно хорошо использовать зимой, когда в воздухе меньше влаги. В холодную погоду, когда кожа сохнет и трескается, очень помогают такие средства как, например, масло для тела — это что-то среднее между мазью и кремом. Мази намного дольше впитываются и после них кожа остается жирной, но они намного дольше остаются на теле. Поэтому их часто используют в медицине.
От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.
(см. приложение 4)
Экспериментальная часть.
Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.
Оборудование: вода, крахмал, чаша.
Ход работы:
Взяли чашу с водой и крахмал. Смешали в равных долях вещества.
Получилась белая жидкость. (см. приложение 7)
Если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если, медленнее то нет. Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик.
Вывод.
Как только мы прекращаем применять механическую силу к неньютоновской жидкости, твердое до этого времени вещество тут же принимает свойства жидкости.
Слайм и неньютоновская жидкость.
Слайм (лизун) — игрушка, впервые выпущенная компанией Mattel в 1976 г. Состоит из вязкого желеобразного материала, обладающего свойствами неньютоновской жидкости. Основным компонентом слайма, выпущенного Mattel в 1976 году, была гуаровая камедь. Он был зелёного цвета и продавался в пластиковой баночке. С тех пор его выпускало много других компаний. На постсоветском пространстве игрушка известна как «лизун», вероятно, из-за того, что в русском переводе персонаж Слаймер (Slimer) фильмов и мультсериала «Охотники за привидениями» переводился как «Лизун». Вреда здоровью не несёт, однако желательно избегать попадания на слизистые оболочки.
Состав и свойства:
Основные компоненты — полисахарид и бура. Вместо полисахарида могут использоваться другие полимеры (клей), вместо буры могут использоваться другие загустители, включая раствор для линз, борную кислоту, тетраборат натрия и другие.
Игрушка интересна своим свойством неньютоновской жидкости. Материал похож на слизь, но при этом не разливается и легко собирается. Если лизун оставить в покое, он начинает растекаться по поверхности, а при резком воздействии уплотняется, и, например, при ударе по куску материала можно видеть, как он рвётся. (см. приложение 5)
Виды слаймов.
Помимо стандартного типа смайла, на просторах современного Интернета довольно распространена информация о прочих разновидностях. Существует несколько вариаций — глянцевый, айсберг, пенный, пузырчатый, прозрачный, металлический, бархатистый, снежный, масляный и т. д.
Основные компоненты для приготовления — это клей определённого вида и активатор. Остальные «ингредиенты» добавляются по предпочтению, такие как: пищевые красители, гель для душа, лосьоны, шампунь, пена для бритья, искусственный снег, блёстки, и т. д.
Активатор бывает разный, к примеру: тетраборат натрия, жидкость для линз, раствор буры и глицерина , борная кислота и Нафтизин.
Изготовление также возможно без использования клеевых составов. Для таких лизунов используют основу в виде крахмала или средства для мытья посуды. (см. приложение 6)
Рецепты изготовления слаймов.
Рецепт изготовления слайма №1
Способ изготовления:
Смешать 100г кукурузного крахмала и 50мл воды
Рецепт изготовления слайма № 2
Способ изготовления: к клею ПВА добавить
гуашь и, перемешивая, добавить тетраборат натрия.
Рецепт изготовления слайма № 3
Способ изготовления: к клею ПВА с пластификатором
добавить гуашь и, перемешивая, добавить
тетраборат натрия.
Признаки сравнения слаймов.
1.Текучесть.
2.Умение сохранять форму.
3.проявление силы упругости телом, как результат электромагнитного взаимодействия частиц.
4.прыгучесть, как возможное «крайнее» проявление силы упругости при броске тела. форму. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело.
Заключение.
В результате исследования получено представление о некоторых свойствах неньютоновских жидкостей. Они отличаются от обычных ньютоновских жидкостей видом зависимости вязкости от скорости деформации: у ньютоновских жидкостей она прямо пропорциональная, а у неньютоновских – более сложная, степенная, отсюда и различие в их свойствах. Получено представление о степени распространённости неньютоновских жидкостей: оказывается, такие жидкости встречаются повсюду и области их применения довольно широки.
Литература.
1. https://pandia.ru/text/80/354/80334-3.php
2.https://otvet.mail.ru/question/197846947
3.https://infuture.ru/article/6448
4.https://videouroki.net/razrabotki/nien-iutonovskiie-zhidkosti-v-zhizni.html
5.https://school-science.ru/6/11/38272
6.Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости. / пер. с англ. — М., 1964.
7. Шульман 3. П. Беседы о реофизике. — Мн., 1976.
Приложение.
След от пули на неньютоновской жидкости (приложение 1)
Использование машинного масла для ремонта автомобиля (приложение 2)
Использование в качестве соуса (приложение 3)
Неньютоновская жидкость в виде крема, увлажнителя и т.д.( приложение 4)
Слайм (приложение 5)
Виды смайлов (приложение 6)
