Исследовательская работа «Неньютоновская жидкость»

Исследовательская работа

«Неньютоновская жидкость»

Ученицы 3 «Б» класса

Быковской Ксении

Руководитель, учитель начальных классов

Агафонова Светлана Васильевна.

Белгород

2018 г.

Содержание

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.

Первые работы о свойствах неньютоновских жидкостей появились в 50-х годах прошлого века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, биогидродинамики, пищевой промышленности. Широкое использование полимерных и нанопорошковых присадок в целом ряде прикладных задач гидродинамики в настоящее время вновь вызвало интерес к неньютоновским жидкостям.

Самыми известными примерами таких жидкостей являются: зыбучие пески и хорошо известные из русских сказок молочные реки – кисельные берега. Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет .

Цель работы – выяснить особенности и некоторые свойства неньютоновских жидкостей и возможности их использования

Гипотеза исследования: существуют такие жидкости, по поверхности которых человек может ходить, автомобиль ездить, но это жидкости с особыми свойствами, свойства этих жидкостей отличаются от свойств, например, воды.

Цель работы – выяснить особенности и некоторые свойства неньютоновских жидкостей и возможности их использования в практических целях.

Задачи исследования:

1. Найти в источниках информации определения и описания неньютоновских жидкостей.

2. Провести анкетирование школьников и взрослых на предмет информированности о неньютоновских жидкостях.

3. Описать свойства неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских жидкостей.

4. Найти рецепты изготовления неньютоновских жидкостей и изготовить их.

5. Провести экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей с выполнением фотографий.

6. Узнать области применения неньютоновских жидкостей.

Методы исследования:

1. Теоретические исследования с помощью соответствующей литературы и ресурсов Интернет.

2. Сравнительный анализ механических свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

3. Экспериментальные исследования свойств неньютоновских жидкостей: водного раствора крахмала, handgam («умного пластилина») и др.

4. Визуальные наблюдения с последующим выполнением фотографий.

5. Анкетирование.

АктуальностьЖидкости окружают нас повсюду. Это и вода, и продукты питания. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.Исследований свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твердого тела можно использовать во многих областях жизни.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Жидкость это одно из состояний вещества. Таких состояний три, их еще называют агрегатными, это газ, жидкость и твердое вещество. Так вот жидким вещество называют, если оно обладает свойством неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём.

Жидкое состояние считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Жидкости можно разделить на ньютоновские и неньютоновские

Этим названием жидкости обязаны английскому ученому Исааку Ньютону.

Сэр Исаак Ньютон — английский физик, математик, механик, и астроном, один из создателей классической физики. Современная наука обязана Ньютону множеством сформулированных законов поведения тел и веществ. В числе прочих он сформулировал закон вязкого трения жидкостей. Согласно этому закону, жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами в независимости от того, какие силы действуют на нее.
Соответственно тогда ньютоновская жидкость - это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. Если же жидкость не подчиняется этому закону, она считается неньютоновской.

Чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму.

Если воздействовать на Неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, вязкость жидкости очень сильно увеличивается, и она начинает вести себя почти как твердое тело. Связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей.

Результаты анкетирования

С целью выяснения распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей автором работы проведено анкетирование учеников 3– х классов (50 человек), учителей и работников Гимназии и родителей (15 человек).

Содержание анкеты:

1. Как Вы думаете, может ли человек ходить по поверхности воды?

2. Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости?

3. Если «да», то, что это за жидкость?

Ни один из респондентов не назвал неньютоновские жидкости, что говорит об отсутствии знаний о жидкостях такого рода.

Но интуитивно 50 % опрошенных школьников поняли, что такие жидкости существуют и 78% респондентов уверены, что это не вода. 17% опрошенных учеников очень близки к пониманию того, каким образом можно передвигаться по поверхности жидкости и какой она должна быть: передвигаться очень быстро, а жидкость должна быть очень вязкой. И неожиданно ответ «кисель» оказался очень близок к истине.

Результаты анкетирования взрослых показали примерно такую же картину, как и результаты школьников. Большая часть взрослых респондентов уверена, что ходить по воде и другим жидкостям нельзя (73% отрицательных ответов на 1 вопрос и 60 % - на второй). 27 % предполагают, что такие жидкости существуют: это жидкости вязкие, с большой плотностью.

Результаты анкетирования убедительно показали, что данная работа будет интересна не только школьникам, но и взрослым.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Я провела несколько опытов, в том числе и сравнение ньютоновской и неньютоновской жидкостей

2.1. Опыты с крахмальным молочком

Реактивы: крахмал картофельный, вода.

Посуда: глубокая чашка, металлическая палочка.

Ход работы

Крахмал насыпали в чашку. Налили небольшое количество воды и размешали с помощью металлической палочки (стеклянная палочка не годится, из-за хрупкости). Соотношение крахмала и воды примерно 1х1. Мешали, пока не получилась однородная жидкая масса.

1. Медленно опустили палец в чашку, при обратном движении он остался покрытым жидкостью.

2. Резко ударили пальцем по жидкости, палец остановился именно на поверхности раствора, не проникнув внутрь. Чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю «мембрану», тем большее сопротивление получаем взамен. Если изготовить большой резервуар и заполнить его раствором крахмала, то по поверхности такой жидкости можно ходить!

3. Медленно опустили в жидкость большой и указательный пальцы, затем при быстром их сжатии, между пальцами получается твердый комочек. Это не крахмал застыл, это неньютоновская жидкость проявляет свои свойства.

4. Окунули в жидкость все пальцы (это оказалось непросто, погружать пришлось медленно), а потом резко дернули пальцы из чашки, пальцы из жидкости не удалость выдернуть, жидкость поднимается вслед за пальцами вместе с чашкой!

5. Переливали крахмальный раствор из одной чашки в другую, при этом поднимая повыше, видели, что сверху жидкость льется, а ниже становится тверже, падает комками, которые потом растекаются!

6. Положили на поверхность жидкости деревянную дощечку, в неё свободно забили гвоздь. Если бы этот процесс происходил в воде, то дощечка при ударе тонула, и гвоздь забить не удалось бы.

7. Скатывание шариков из водного раствора крахмала. Крахмальный раствор налили в руку, он лежит в ладони лужицей. Быстрыми движениями скатали из раствора шарик. 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 шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.

Вывод из серии опытов: вязкость крахмального молочка (неньютоновской жидкости) зависит от механических воздействий, в том числе и от вибрационных (звуковых). Чем выше скорость воздействия, тем больше вязкость.

2.2. Опыты с «умным пластилином» (или хандгамом)

Хендгам – жвачка для рук. Это хороший способ снятия стресса и разминки кисти.Это жвачка для рук и очень необычный полимер: твердый и жидкий одновременно. Пластичная масса, приятно мять и растягивать. Хендгам пахнет, рвется, магнитится, успокаивает, светится в темноте, меняет цвет, прыгает,тянется,капает.

В длительных промежутках времени хендгам ведет себя подобно жидкости, он медленно стекает, капает и растекается по поверхности. Если сделать шарик и положить на стол, то через некоторое время шарик станет лужицей. При быстром воздействии handgum - это твердое тело - шарик, кинутый об пол подпрыгнет, как каучук. Настоящий прыгающий пластилин. Хендгам можно разорвать резким движением или даже забить им гвоздь! Жвачка для рук хендгам обладает свойствами неньютоновской жидкости. В России появился в 2008 году.

Реактивы: «умный пластилин» (или «хендгам»).

Оборудование: трубка пластмассовая или металлическая, молоток.

Ход работы

1. Растекание фигурки из «умного пластилина». Из «умного пластилина» (или хандгама) вылепили фигурку. Наблюдали: фигурка быстро «оплывает», теряет форму и растекается.

2. Текучесть «умного пластилина». «Умный пластилин», если его держать в руке на весу, начинает медленно течь.

3. Распухание «умного пластилина». Может ли жидкость, выходя из трубки, сквозь которую ее проталкивают, увеличиваться в объеме? С большинством текучих веществ подобного не случается — диаметр их струи при выходе из трубки равен внутреннему диаметру трубки. Однако «умный пластилин» или силиконовая замазка, в этом отношении представляет исключение. Плотно набили пластилин в трубочку (шприц), немного подержали ее там, а потом начали проталкивать ее сквозь трубку. Наблюдали: как только замазка «выползла» из трубки, ее объем заметно увеличился Объяснение. Когда вязкая упругая жидкость выходит из трубки, существовавшие в ней внутренние напряжения снимаются, поэтому она расширяется.

4. Разбивание «умного пластилина» и «скачущий» пластилин.
   1. Ударили (сильно и резко) по бруску из «умного пластилина» молотком, от него отлетели мелкие осколки, как будто бы он разбился.
   2. Бросили на стол, сделанный из пластилина шарик — он отскочил лучше, чем резиновый, но после того как такой шарик некоторое время полежал, он постепенно сплющился (растёкся).
   Объяснение. Этот опыт иллюстрирует упругую реакцию неньютоновской жидкости. «Умный пластилин» обладает очень большой вязкостью, но когда напряжения прикладываются медленно, его вязкость уменьшается. При резких же напряжениях материал становится очень упругим.

3. ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Основное применение благодаря своим свойствам неньютоновские жидкости находят в области защиты.

В дальнейшем мы решили проверить: будет ли неньютоновская жидкость являться хорошим защитным материалом. Проведем несколько опытов.

3.1. Опыт с яйцом

Проделаем еще один опыт с обычной жидкостью и неньютоновской. Для этого нам понадобятся яйца, прочные пластиковые пакеты, вода и неньютоновская жидкость.

Наполняем пакет водой, опускаем в него яйцо и крепко завязываем. После этого позволим пакету упасть с высоты около метра. Яйцо разбилось. Повторим этот опыт с неньютоновской жидкостью. При падении с высоты 1 метр яйцо не разбилось, при падении с высоты 2 метров тоже. Этот опыт показывает, что при ударе неньютоновской жидкости о пол, один ее слой становится твердым, следующий становится плотным, а чем дальше от пола тем более жидкий. Яйцо благодаря распределению плотности погасило скорость падения и не разбилось.

3.2. Технология - D3O (де-три-о).

Из Интернета мы узнали, что на основе неньютоновской жидкости существуют материалы, обладающие защищающими от удара свойствами. Из них делают средства защиты. Такие как наколенники, налокотники, щитки и т.д. Технология называется D3O (де-три-о). D3O - это и материал, и бренд, и одновременно молодая британская компания, основанная в 2006 году после успешного применения ее разработок в области защиты от ударов на Олимпиаде. Тогда их разработки были доступны только участникам Олимпиады, прежде всего горнолыжникам. Так же технологии этой компании используется в изделиях многих компаний.

Компания Tech21 анонсировала инновационный материал для чехлов смартфонов и планшетов под названием D3O ImpactMaterial. Это пластичный состав предлагает высочайший уровень защиты для мобильной электроники. Их будут использовать для защиты очень популярных на сегодня iPod и iPhone

3.3. Неньютоновские заплатки для дорожного покрытия.

Есть еще один интересный способ применения. Как известно, в России дороги, а точнее их ужасное состояние – одна из главных и нерешаемых проблем на протяжении всей истории нашего государства. Однако, группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предложила нетривиальное решение этой проблемы. Они предлагают латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. 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 квалифицированные рабочие, 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.

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.

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.

Я доказала, что в домашних условиях можно сделать неньютоновскую жидкость. 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. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.

Получен ответ на проблемный вопрос, который ставился перед началом выполнения исследования: человек может ходить по поверхности неньютоновских жидкостей, в частности по поверхности водного раствора крахмала, и неньютоновскую жидкость в резервуарах можно использовать ля временной ликвидации ям на дорогах.

Гипотеза исследования подтвердилась: Существуют такие жидкости, по поверхности которых человек может ходить , автомобиль может ездить– это неньютоновские жидкости, это жидкости с особыми свойствами, не такими как у воды.

Цель работы достигнута: теоретическим и экспериментальным методами исследованы некоторые свойства неньютоновских жидкостей и выяснены их особенности.

Литература:

1. Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org)

2. Физика. А.В.Перышкин 7 класс, Дрофа, Москва 2015г.

3. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 2010г.

4. Физический фейерверк Уокер Дж.: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. – М.: Мир, 1998.

5. Наука для детей. http://naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html

6. Как просто! https://www.kakprosto.ru/kak-840352-chto-takoe-nenyutonovskaya-zhidkost

7. Живая наука http://livescience.ru/Статьи:Неньютоновская-жидкость

8. http://fb.ru/article/277463/chto-takoe-nenyutonovskaya-jidkost-primeryi

9. Видеоресурсыhttp://www.youtube.com/watch?v=sbCW2RydyLU

10. Видеоресурсы http://www.youtube.com/watch?v=I-SLLQK6tI0

11. Видеоресурсыhttp://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/problemu-rossiskikh-dorog-kazhetsya-mogut-reshit-amerikantsy-s-pomoshchyu-nenyutonovsk