Исследовательская работа по физике " Неньютоновская жидкость"

Министерство просвещения Приднестровской Молдавской Республики

Муниципальное учреждение «Дубоссарское УНО»

МОУ «Дубоссарская русская средняя общеобразовательная школа №5»

Исследовательская работа

Секция: ФИЗИКА

Тема: Неньютоновские жидкости

г. Дубоссары

2 021г.

План

Введение ………………………………………………………………………. 3

Глава 1. Неньютоновские жидкости

1.1. История образования науки реологии ………….…………………….. 5

1.2.Характеристика жидкого состояния …………………….. ……………..6

1.3.Сравнение физических свойств неньютоновской и ньютоновской

жидкостей …………………………………………………………….……….7

1.4.Реологические свойства неньютоновских жидкостей………………….. 9

1.5.Виды неньютоновских жидкостей ………………………………………10

1.6.Уравнение Максвелла для неньютоновской жидкости ……….………11

1.7.Применение неньютоновской жидкости …………………………….…..13

Глава 2.Исследование физических и реологических свойств неньютоновских жидкостей

2.1.Определение плотности неньютоновской жидкости .………………. 16

2.2.Изучение поведения неньютоновской жидкости при внешнем воздействии................................................................................................... 16

2.3.Наблюдение эффекта Кайе ……………………......……………………..17

2.4.Наблюдение эффекта Вейссенберга..…………………………………....17

2.5. Течение вязкой жидкости ……………………………….……………….17

2.6. Тиксотропный маргарин…………………………... …………….……..17

2.7.Зависимость сохранения свойств жидкостей от различных факторов..17

Заключение ………….……………………….………………………….. 19

Список литературы ………………………….…………………………..20

Приложение ……………………………………………..………………..21

Введение.

Человечество на современном этапе жизни столкнулось с огромным количеством проблем, носящих глобальный характер, и от того, как быстро и правильно мы найдем способ их решения, будет зависеть дальнейший ход развития цивилизации.

В 2020 году появилась и распространилась короновирусная инфекция Covid 19, последствия которой человечество ощущает до сих пор.

Актуальность. Среди множеств осложнений, которые вызывает коронавирус Covid 19, особую опасность представляет тромбоз. Образование сгустка, перекрывающего кровоток, происходит по нескольким причинам, одна из которых - сгущение крови из-за высокой температуры и недостатка потребляемой жидкости.

Кровь- это взвесь клеток крови в жидкости сложного состава, которая называется плазмой. Клетки крови бывают: красные клетки крови (эритроциты), белые клетки крови (лейкоциты) и тромбоциты. Плазма - водный раствор электролитов, белков, питательных веществ, продуктов метаболизма и т.п. В организме человека объем крови составляет почти 7% объема человеческого тела. Эритроциты занимают около 45 % объема крови, а другие клетки крови - менее чем 1%. Прибор, измеряющий относительный объем клеток крови и плазмы, называется гематокрит. Это же название используют для определения результатов анализа.
Кровь – это жидкость более плотная и вязкая чем вода. Одним из показателей состояния крови является относительная вязкость. В среднем относительная вязкость крови составляет почти 4,5 . Относительная вязкость плазмы - 2,2 . Прибор, который измеряет вязкость крови, называется медицинский вискозиметр. Кровь является неньютоновской жидкостью. Поэтому изучение свойств неньютоновских жидкостей и расширение знаний о них всегда будет актуально.

Целью моей работы является изучение реологических свойств неньютоновских жидкостей, одной из которых является кровь.

Задачи:

- Собрать и изучить теоретический материал о неньютоновских жидкостях.

- Изучить классификацию неньютоновских жидкостей и историю возникновения науки реологии.

- Экспериментально изучить физические свойства неньютоновских жидкостей.

- Изучить способы получения неньютоновской жидкости в домашних условия.

- Узнать область применения неньютоновских жидкостей.

Методы исследования:

Наблюдение

Проведение опытов

Анализ, сравнение и обобщение научной литературы

Объект исследования – неньютоновская жидкость.

Предмет исследования – реологические свойства неньютоновской жидкости.

Проблема – практическое применение свойств неньютоновской жидкости

Теоретическое значение работы определяется тем, что позволяет систематизировать изученную литературу. Проведенные опыты и выводы, сделанные в ходе исследования, позволят углубить имеющиеся знания о свойствах этой жидкости.

Практическая значимость работы заключается в том, что собранный материал может быть использован как на уроках физики, так и на факультативах для углубления знаний и повышения познавательной активности учащихся.

Глава 1. Неньютоновские жидкости

1.1.История развития реологии

Люди долгое время проявляли интерес к изучению свойств жидкостей, так как более 70% поверхности Земли заняты водой, то есть запасы жидкости легкодоступны и обладают рядом полезных свойств, большинство химических реакций протекают в жидком состоянии - в растворах.

Еще в III веке до н.э. был известен трактат Архимеда « О плавающих телах». В I веке нашей эры Герон Александрийский описал эолипил, основанный на принципе действия активной турбины, в своей работе « Пневматика». Известны работы:

Александра Афродитского (вторая половина II в. н. э.), который рассматривал взаимодействие корабля, весла и воды;

работы Леонарда да Винчи по изучению плавания тел, движения жидкости по трубам и каналам;

работы Галилео Галилея по изучению принципов равновесия и движения жидкости;

работы Эванджилиста Торричелли изучение истечения жидкостей из отверстий;

работы Плез Паскаль изучение передачи давления в жидкостях;

работы Исаака Ньютона – закон о внутреннем трении в жидкостях при движении (1643-1727) .

Одним из наиболее известных законов механического поведения деформируемых тел является закон английского механика и часовщика Роберта Гука, высказанный им в 1676 г.: «ut tensio sic vis» (от лат. – каково удлинение, такова сила).

В ХVIII веке гидромеханика и реология стали развиваться как самостоятельные науки.

Работы российских ученых: книга Бернулли «Гидродинамика» (1738 г.) и в работах Эйлера (1707–1783) рассматривается движение материальных точек в среде с сопротивлением. В работах Ломоносова (1711–1765) имеется описание капиллярного вискозиметра, одного из важнейших реометров.

Основы теории упругости заложили Пуассон (1781–1840) и Коши (1789–1857)

Максвелл в 1868 г. ввел понятие «релаксация напряжений».

Менделеев в 1880 г. указал, что сопротивление движению при малых скоростях пропорционально скорости, а при больших – квадрату скорости.

Термин реология был придуман Юджином К. Бингемом , профессором колледжа Лафайет , в 1920 году .

Реология (/ riːˈɒlədʒi /; от греческого ῥέω rhéō, «поток» и -λoγία, -logia, «изучение») - это раздел физики, и это наука, которая занимается деформацией и течением материалов, как твердых, так и жидких. Основной задачей реологии является изучение закономерностей поведения различных материалов под действием деформирующих усилий. 

В 1925–1926 гг. Освальд де Вале и его ученики ввели термин «структурная вязкость», в 1929 г. Рейнер – «неньютоновские жидкости», в том же 1929 г. была опубликована важная работа по теории капиллярных вискозиметров Рабиновича.

Основные понятия реологии:

Пластичность – способность деформироваться как при быстром, так и при медленном действии силы

Ползучесть – способность деформироваться при медленном действии силы

Вязкость – способность среды оказывать сопротивление при перемещении условных частиц среды относительно друг друга.

Напряжение сдвига – отношение силы сопротивления возникшей при сдвиге слоев к площади слоев [ Па].

Градиент скорости – отношение разности скоростей соприкасающихся слоев к расстоянию между ними [1,с. 10].

1.2.Характеристика жидкого состояния

В природе вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразное, жидкое, твердое. Физические свойства веществ, находящихся в газообразном состоянии: газ не сохраняет ни объем, ни форму и занимает весь предоставленный объем. Твердые тела сохраняют и объем, и форму.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом. Жидкость – состояние вещества, в котором оно может неограниченно менять форму при механическом воздействии снаружи, практически сохраняя при этом объём. У жидкости нет такой сильной, как у твердого тела, внутренней связи между частицами, чтобы сопротивляться воздействию внешних сил (например, силе тяжести), поэтому та же сила тяжести не размазывает о стол, лежащий на нем стальной нож, но вжимает воду в стакан, заставляя ее принять его форму. Это свойство жидкостей называется текучестью.

Другое важное свойство жидкостей, роднящее их с газами – вязкость. Она определяется, как способность оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Когда соседние слои частиц (молекул), составляющих жидкость, движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение частиц, и возникают силы, затормаживающие их упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения частиц переходит в тепловую, то есть выделяется тепло, что аналогично результату действия сил сухого трения, когда трущиеся поверхности разогреваются. Поэтому вязкость и назвали, по аналогии с твердыми телами, силами вязкого трения. Заметность действия сил вязкого трения легко увидеть, например, размешивая в кастрюле воду. Помешивая ложкой по окружности маленького радиуса, в центре кастрюли, мы замечаем, что сначала вращается лишь центр водяной линзы, а потом, постепенно, во вращение начинают вовлекаться все новые и новые наружные слои жидкости – и они вовлекаются за счет трения слоев молекул воды друг о друга. Чем больше вязкость размешиваемой жидкости – тем больше сил приходится прикладывать к ложке, и тем легче вовлекаются в движение внешние слои. Вязкостью обладают все жидкости (кроме сверхтекучей фракции жидкого гелия), и у всех она разная. Сжиженные газы очень текучи, жидкости при комнатной температуре тоже не слишком вязкие. Наибольшей же вязкостью обладают сложные жидкие системы - гели, эмульсии или суспензии, в том числе жидкости с крайне высокой вязкостью - стекла и другие аморфные твердые тела. Вязкость стекол настолько высока, что при механическом воздействии на стекло, оно предпочтет скорее иметь нарушенную структуру, нежели сместить слои своих молекул друг относительно друга – и лопнуть, вместо того, чтобы потечь. Вместе с тем, если посмотреть, например, на старое оконное стекло, которому уже несколько (минимум пять) десятков лет, то можно заметить, что вверху и внизу стеклянный лист имеет неодинаковую толщину. Это говорит о том, что стекло все-таки течет, но чудовищно медленно. Все обладающие вязкостью жидкости подразделяются на ньютоновские и неньютоновские [2].

1.3. Сравнение физических свойств неньютоновской и ньютоновской жидкостей

Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости (градиент – это направление наискорейшего возрастания некоторой величины, в данном случае скорости), то такие жидкости называют ньютоновскими. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя.

Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.п. При ламинарном сдвиговом течении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинками верхняя из которых движется с постоянной скоростью v под действием силы F, а нижняя неподвижна, слои жидкости перемещаются с разными скоростями - от максимальной у верхней пластинки до нуля у нижней.

Течение ньютоновских жидкостей подчиняется уравнению Ньютона-Петрова, то есть касательное напряжение и градиент скорости линейно зависимы, а коэффициент пропорциональности η между этими величинами известен как вязкость:

τ =F/S,

где τ — касательное напряжение (напряжение трения); F — сила внутреннего трения; S — площадь поверхности соприкасающихся слоев жидкости. [1,с.20]

Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими. В системе СИ значения вязкости η выражают в Па·с. Для газов η составляет обычно от 1 до 100 мкПа·с, для воды при 20°С 1 мПа·с, для большинства низкомолекулярных жидкостей до 10 Па·с. Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей.

Эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, но и даже звуковыми волнами. Если воздействовать механически на обычную жидкость, то чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами, 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, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, вследствие чего мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои такой жидкости. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.

Например, водный раствор крахмала ведет себя по-разному в зависимости от воздействия.

Если на него воздействовать резко, сильно, быстро - он проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел. (Приложение. Рис.1), а при медленном воздействии течёт. (Приложение. Рис.2).

1.4. Реологические свойства неньютоновской жидкости

Реологические свойства свободнодисперсных систем: вязкость, упругость, пластичность. Создаваемое внешней силой F касательное напряжение т целиком идет на преодоление трения между слоями жидкости и пропорционально скорости сдвига – это закон Ньютона: т = ηγ. Величина η = т/γ (вязкость) полностью характеризует реологические свойства жидкости в ламинарном режиме течения.

К основным реологическим свойствам неньютоновских жидкостей относятся:

1. вязкость

2. вязкоупругость

Вязкоупругость – это свойство материалов быть и вязким и упругим при деформации. Вязкие материалы, такие как мед, при сопротивлении сдвигаются и натягиваются линейно во время напряжения.

материалы тянутся во время растягивания и быстро возвращаются в обратное состояние, когда уходит напряжение. У вязкоупругих материалов свойства обоих элементов, и по существу, проявляют напряжение в зависимости от времени. В то время как упругость обычно является результатом растягивания вдоль кристаллографической плоскости в определенном твердом теле, вязкость является результатом диффузии атомов или молекул в аморфных материалах.[1,с.29]

Существуют некоторые проявления вязкоупругих материалов:

• если держится постоянное напряжение, нагрузка растет со временем (ползучесть)

• если держится постоянная нагрузка, напряжение уменьшается со временем (расслабление)

• фактическая неподвижность зависит от уровня нагрузки

• если применена циклическая нагрузка, то получается гистерезис (отставание фаз), который приводит к рассеиванию механической энергии

• акустические волны подвергаются ослаблению

• восстановление объекта после воздействия меньше, чем 100%

• во время верчения происходит сопротивление трения

1.5. Уравнение Максвелла для неньютоновской жидкости.

Вязкоупругие жидкости. Существуют текучие среды, которые обладают как свойствами вязкой жидкости, так свойствами упругого тела. К числу таких сред относятся очень вязкие материалы, например, смола, а также некоторые полимеры. Если напряжения в материале увеличивается постепенно, то такой материал течет как обычная вязкая жидкость; если же напряжения возрастают быстро, то возникающие деформации пропорциональны напряжениям и полностью исчезают, когда нагрузки снимаются, т.е. материал ведет себя как упругое тело.

Для описания поведения вязкоупругих жидкостей известна модель Максвелла. Для чисто сдвиговой деформации (материал течет вдоль оси  , параллельной стенкам круглой трубы;   радиальная координата) реологическое уравнение этой модели имеет вид:

   , (11.2)

 где   скорость деформации   ;   величина сдвигового напряжения; G – модуль сдвига;   вязкость. Если   , то модель (11.2) переходит в модель ньютоновской вязкой жидкости (   ), если   , то модель (11.2) переходит в модель упругого тела (   ; откуда с учетом условия   , если   , следует, что   ).

Если положить   , т.е. заморозить деформацию, и проинтегрировать уравнение (11.2) по времени с начальным условием   при t = 0, получим закон уменьшения касательного напряжения:

   (11.3)

 Это означает, что с течением времени касательное напряжение в жидкости возвращается к начальному значению, соответствующему равновесному состоянию, в котором скорость деформации отсутствует. Процесс возвращения к равновесному состоянию называется релаксацией, Убывание напряжения в вязкоупругой жидкости Максвелла, выражающееся уравнением (11.3), дает пример такой релаксации.

Если ввести параметр   , имеющий размерности времени, то

 Это означает, что через каждый промежуток времени   величина напряжения уменьшится в   раз, поэтому параметр   называют временем релаксации (или периодом релаксации).[1,с.33]

Вязкоупругие жидкости отличаются от вязких жидкостей не только наличием релаксационных эффектов, вызванных упругостью. В вязкоупругих жидкостях кроме касательных напряжений возникают также нормальные напряжения, перпендикулярные линиям тока. Так, например, при напорном течении жидкости в канале действие нормальных напряжений проявляется в поперечном утолщении струи сразу же после ее выхода из канала. С подобным разбуханием струи приходится считаться в ряде промышленных процессов, таких, как выдавливание волокон из фильеры, экструзионное производство пленок и труб, прокатка листового металла и т.д.

1.6. Виды неньютоновских жидкостей.

Известные классификации неньютоновских жидкостей построены на эмпирических уравнениях, связывающих вязкость и скорость деформации. По этим уравнениям строят кривые течения жидкостей. (Приложение. Рис.3)

Согласно уравнению Ньютона-Петрова, кривая течения ньютоновских жидкостей, то есть график зависимости касательного напряжения от градиента скорости, представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат (линия № 4.Приложение.Рис.3). Угол наклон этой прямой пропорционален вязкости ньютоновской жидкости. Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона, для них касательные напряжения выражаются более сложными зависимостями, чем уравнение Ньютона-Петрова. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы: неньютоновские вязкие жидкости; неньютоновские нереостабильные жидкости; 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.Приложение.Рис.3) 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.Приложение.Рис.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.Приложение.Рис.3) 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.Приложение.Рис.3) 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 консистенцию. [1,с.51]

1.7. Применение неньютоновских жидкостей

В современном мире неньютоновские жидкости широко применяются в военной промышленности.

Основываясь на свойствах неньютоновских жидкостей министерство обороны США начало производство бронежилетов для военных [3]. Эти бронежилеты отличаются от уже известных моделей тем, что они легче по весу и проще в изготовлении. Они изготавливаются из материалов, относящихся к дилатантным неньютоновским жидкостям. По физическим свойствам он напоминает охлажденную карамель, только еще более чувствителен к нагрузкам.

При небольшом воздействии силы натяжения – он становится эластичным, из него можно скатывать любые формы - шарики и т.д. как из пластилина. При резком повышении градиента скорости деформации компенсировать трение между частицами и, соответственно, обеспечить движение их друг относительно друга не получается, в результате чего и образуется мгновенная жесткая структура, обусловленная уже обычным, сухим трением между частицами – именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. При прекращении внешней резкой нагрузки материал опять будет мягким и эластичным.

Последний успешный проект «жидкостной брони» - рабочее название bulletproof cream – пулестойкий крем появился в 2010 году. Точный состав неньютоновской жидкости для бронежилета не разглашает. Однако предполагается, что это водный раствор вещества, который имеет наиболее подходящие характеристики вязкости при сильных ударах. При той же толщине жилета «жидкостный» имеет втрое меньшее количество слоев синтетической ткани и вдвое меньший вес. В 2010 году начались испытания готового опытного бронежилета на основе геля [4].

В автомобильной промышленности

Широко применяются неньютоновские жидкости в автомобильной промышленности. Моторные масла, изготовленные из неньютоновской жидкости, уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, что уменьшает трение в двигателе.

Магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости состоят из мелкодисперсных кристаллов магнетита, взвешенных в синтетическом масле. При внесении жидкости в магнитное поле, плотность жидкости увеличивается в 100 раз, оставаясь гибкой. Такие жидкости применяют для амортизации некоторых элементов 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). Неньютоновские 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.

При движении жидкостей по трубопроводам в трубах возникает трение жидкости о стенки трубы. В результате этого часть кинетической энергии превращается в тепловую. Поэтому главной технической задачей является снижение силы трения. При добавление в жидкость малого количества полимера значительно снижается сила трения, что успешно применяется при перекачке нефти по длинным трубопроводам. А также при добавлении полиокса всего 20млн долей снижают силу трения турбулентного потока на 50%.

Этот эффект используют пожарные при тушении пожаров из брандсбойтов в жидкость добавляют полимерные добавки, что увеличивает длину струи в 1,5 раза.

Полимерные добавки в смазывающих материалах повышают продолжительность срока службы станков и приборов. В мореплавании можно увеличивать скорость судна путем впрыскивания вблизи его носовой части малых количеств полимерного раствора. Предполагается, что и в животном мире обитателями океанов и морей используется эффект Томса для уменьшения гидродинамического сопротивления.

Неньютоновские жидкости используются и в косметологии. Чтобы косметические средства держались на коже, их делают вязкими. Вязкость таких средств будет зависеть от того, для какой цели они используются. Тональный крем менее вязкий, а блеск для губ достаточно вязкий. В производстве косметики используются модификаторы вязкости, масла и воск.

В гелях для душа вязкость должна быть такая, чтобы можно было смыть грязь, но не дольше. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости. Наименьшая вязкость у лосьонов, поэтому на кожу они ложатся тонким слоем и могут использоваться летом.

В кулинарии

Используемые в кулинарии продукты для оформления блюд, для повышения вкусовых качеств - майонез, масло, маргарин являются неньютоновскими жидкостями. Их используют и при изготовлении многослойных салатов для удержания слоев и для бутербродов. С их помощью украшают блюда.

Мед, сгущенное молоко – неньютоновские жидкости.

В медицине

Густая и вязкая кровь плохо течет по кровеносным сосудам, что ухудшает самочувствие человека, так как уменьшает поступление и питательных веществ и кислорода, что приводит к отмиранию тканей и нарушению работы внутренних органов человека. При обморожении кровь становится более вязкой, нарушается кровоснабжение, что приводит к отмиранию тканей, особенно конечностей. Поэтому необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови.

В дорожном ремонте.

Предлагается образованные на дорогах выбоины заполнять мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. Под воздействием резкой деформации неньютоновская жидкость будет приобретать упругие свойства .

Для транспортировки хрупких или взрывоопасных предметов создана «живая» сумка, наполнителем которой является неньютоновская жидкость[5].

Глава 2. Экспериментальное исследование свойств неньютоновских жидкостей

2.1.Определение плотности неньютоновской жидкости

Для приготовления неньютоновской жидкости необходимо 300г крахмала и 200г воды. ( Приложение 10,11)

Опыт 1. Измерение плотности

Для проведения эксперимента мне нужно: мензурка – для определения объема, взятой жидкости; рычажные весы – для определения массы жидкости; разновесы.

Перед проведением опыта я определила цену деления шкалы мензурки и установила в равновесии весы. Цена деления шкалы мензурки = 2 см3

Результаты измерений: масса 150 г объем120 см3

Воспользовавшись формулой

Вычислила плотность жидкости 1,25 1250 . (Приложение 2)

Опыт 2.Измерение плотности жидкости с помощью ареометра.

Ареометр – это прибор, используемый для измерения плотности жидкости. Он представляет собой стеклянный поплавок, в верхней части которого шкала с делениями. Опустив ареометр в жидкость по линию соприкосновения жидкости, определяем её плотность.

Показания ареометра 1250 кг/м³. (Приложение 3)

2.2.Изучение поведения неньютоновской жидкости при внешнем воздействии

Опыт 1. Падение шарика на поверхность жидкости

Для проведения опыта мне нужно: неньютоновская жидкость, металлический шарик, штатив и желоб.

При падении металлического шарика с высоты 30 см, шарик отскакивает от поверхности жидкости. То есть жидкость при резком внешнем воздействии приобретает свойства твердого тела. Когда внешнее воздействие прекращается, шарик погружается в жидкость полностью. То есть неньютоновская жидкость приобретает свойства жидкости. (Приложение 4,5)

Опыт 2. Скатывание шарика из жидкости

При постоянном вращении рук, шарик из неньютоновской жидкости сохраняет свою форму. Когда прекращается воздействие, шарик растекается. (Приложение. Рис.1,рис.2)

Опыт 3.Вбивание гвоздя в брусок

Для проведения опыта необходимо: молоток, брусок, гвоздь, неньютоновская жидкость.

Поверхность неньютоновской жидкости при вбивании гвоздя в брусок становится настолько упругой, что гвоздь можно полностью вбить в брусок. (Приложение 9)

Опыт 4. Опыт, подтверждающий, что по поверхности неньютоновской жидкости можно ходить.

Нужно: металлический шарик

Если резко направить металлический шарик по поверхности жидкости, то шарик будет катиться как по твердой поверхности. Значит, можно бегать по поверхности неньютоновской жидкости.

Опыт 2.5 Защитные свойства неньютоновской жидкости

Нужно яйцо сырое, пакет целлофановый.

Помещаем яйцо в пакет с неньютоновской жидкостью, завязываем и бросаем с высоты 1,5 м. Яйцо в пакете не разбилось. ( Приложение 8)

Вывод: вязкость неньютоновской жидкости зависит от скорости механического воздействия. Чем выше скорость воздействия, тем больше ее вязкость.

2.3. Наблюдение "эффекта Кайе"

Необходим шампунь, чашка.

Если жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкость или в жидкость с одинаковой плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется в жидкости, а как бы отскакивает от самой себя. Это явление назвали "эффект Кайе"

В чашку наливаем шампунь толщиной слоя около 3 см и с высоты 20 см будем вливать в нее такой же шампунь. В месте падения струйки образуется небольшой бугорок. После отскакивания струйки бугорок исчезает. Эффект имел очень короткую продолжительность. Скачок жидкости может быть вызван резким изменением вязкости струйки в тот момент, когда она ударяется о поверхность жидкости. (Приложение 7)

2.4. Наблюдение эффекта Вейссенберга

Яичный белок, стакан, дрель ручная, металлический стержень.

В стакан мы отделили белок. При вращении сверла дрели белок стал подниматься вверх по сверлу. Это явление называется эффектом Вейссенберга.

Это происходит потому, что когда вязкая упругая жидкость вращается, сдвиг одного слоя относительно другого создает напряжения вдоль внешней границы жидкости, которые стремятся собрать жидкость к центру вращения. В нашем опыте под действием этих напряжений жидкость собирается на оси вращения и поднимается вверх по стержню.

2.5. Течение вязкой жидкости

Необходимо сгущённое молоко, тарелка.

При течение из банки сгущенного молоко с высоты 15см , струйка жидкости накручивалась образуя канатик. Падая и ударяясь о поверхность такой же жидкости в тарелке, струйка сжимается, что заставляет ее выгибаться вбок. При данных условиях струйка не может разорваться; поэтому, если количество падающей жидкости больше, чем может сразу поглотить жидкость, находящаяся внизу, то струйка начинает завиваться. Выяснили, что диаметр и скорость образования «намотки» определяются толщиной струйки: чем толще струйка, тем крупнее кольца или складки, тем медленнее происходит «намотка».

2.6. Тиксотропный маргарин.

Необходимо: маргарин, кусочек хлеба, нож.

Маргарин – пример тиксотропной жидкости. Намазываем маргарин на хлеб. Маргарин под действием ножа размазывается, его вязкость уменьшается при увеличении нагрузки. При намазывании маргарина его молекулы ориентируются в направлении действия внешней силы. В результате вязкость уменьшается. Когда сдвигающее усилие снимается, молекулы восстанавливают свою прежнюю ориентацию, и вязкость увеличивается. (Приложение 1)

2.7. Зависимость сохранения свойств неньютоновской жидкости от различных факторов

У неньютоновской жидкости есть существенный недостаток: жидкость утрачивает свои свойства, когда из нее испаряется вода. Так крахмальное молочко потеряло свои свойства неньютоновской жидкости за 7 дней. (Приложение 6)

Заключение

Окружающий нас мир полон тайн. Предметы, которыми мы пользуемся в повседневной жизни могут обладать удивительными свойствами. Всем знакомый майонез или мед, блеск для губ или сгущенное молоко – все это не что иное, как неньютоновские жидкости. Жидкости, которые обладают свойствами «обыкновенной» ньютоновской жидкости, но при создании резкой внешней деформации приобретают свойства твердого тела.

Решая задачи исследовательской работы, были проведены опытные исследования свойств неньютоновской жидкости. В результате проведенных экспериментов был сделан вывод: вязкость неньютоновских жидкостей будет зависеть от скорости деформации не прямо пропорционально как у ньютоновских, а более сложно.

Неньютоновские жидкости с учетом их свойств нашли широкое применение в разных областях жизни, но считать законченными изучение их свойств не следует.

Так, осложнения после перенесенного короновируса, в виде повышения вязкости крови, ученые - медики на современном этапе решают, применяя лекарственные препараты разжижающего действия. Но их применение сопровождается некоторыми побочными эффектами, что отрицательно влияет на здоровье пациента. Поэтому исследования свойств крови, как одного из видов неньютоновской жидкости, продолжаются.

На основании изученной литературы и проведенных экспериментов можно предложить использование неньютоновской жидкости в качестве защиты от ударов у спортсменов и специальных приспособлений для ходьбы маленьких детей, а также использовать как защиту для мобильных телефонов.

Собранный материал при использовании его на уроках физики и во внеурочной деятельности в школе позволит подчеркнуть практическую значимость применения полученных знаний, расширит кругозор и повысит интерес к изучению физики.

Список использованной литературы

1. Уилкинсон У.Л. Неньютоноские жидкости. Гидродинамика, перемешивание и теплообмен. Перевод с агл. канд. техн. наук З.П. Шульман. М.: Мир, 1964. С.219

2. http://www.wikipedia.org/wiki/ - Неньютоновская жидкость

3. http://www.d3o.com - Материал d3o

4. http://zhelezyaka.com/news.php?id=4915 – «Жидкий» бронежилет

5 http://rnd.cnews.ru/army/news/line/index_science.shtml?2011/07/12/447219 - «Жидкая сумка»

6.Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 1973. – 544с.

7.Лекция № 10 Вязкость жидкостей и газов. Вязкость. Природа внутреннего трения. URL: http://www.dvfu.ru/ifit/~thnucl/Gen_phys/lecture10.pdf (дата обращения: 15.11.2014).

8.Зарембо Л.К. Школьникам о современной физике/ Л.К. Зарембо, Б.М. Болотовский, И.П. Стаханов и др.-М.: Просвещение,2006г.- 175с.

9. Кабардин О.Ф. Физика, справочные материалы/ О.Ф. Кабардин.-М.: Просвещение, 1988-177 с.

10. Перышкин А. В. Физика 7 класс/А.В. Перышкин.- М.: Дрофа, Москва, 2008 г.-220с.

11. Уокер Дж. Физический фейерверк: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. – М.: Мир, 1998. – 298 с.

12. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991. – 336с.

13. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1979.- 944 с.

14. http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_6291.html статья А. Я. Малкина, H. Б. Урьева.

15. http://www.labh.ru/

16. http://www.galileo-tv.ru

17. http://www.phys-encyclopedia.net/

Приложение

Рис.1. Скатывание шарика

Рис.2. Растекание неньютоновской жидкости

Рис. 3 Кривые течения жидкостей: 1 – нелинейно вязкопластичная, 2 - вязкопластичная, 3 – псевдопластичная, 4 – ньютоновская, 5 – дилатантная

Приложение 1. Изучение свойств маргарина

Приложение 2. Измерение массы жидкости

Приложение 3. Измерение плотности жидкости ареометром

Приложение 4. Отскок шарика при падении от поверхности жидкости

Приложение 5. Погружение шарика в жидкости

Приложение 6. Высохшая суспензия крахмала

Приложение 7. Эффект Кайе

Приложение 8. Защитное свойство неньютоновской жидкости

Приложение 9. Вбивание гвоздя в брусок на поверхности жидкости

Приложение 10. Исходный материал для приготовления неньютоновской жидкости

Приложение 11. Приготовления неньютоновской жидкости

21