Исследовательский проект "Жидкость или твердое тело. Лизун с научной точки зрения."

IV региональная исследовательская конференция учащихся

Секция: «Физика»

Исследовательский проект:

«Жидкость или твёрдое тело? Лизун с научной точки зрения»

Выполнил: Большаков Артём,7 класс

МБУ ДО СЮН т/о «Юный исследователь»

Руководитель: Гундарева Анна Викторовна,

педагог д/о;

Уланова Инна Леонидовна,

учитель физики МБУ «СОШ № 91»

Новокузнецкий городской округ, 2018г.

Содержание:

Введение

Когда я впервые узнал о лизуне и неньютоновской жидкости, мне захотелось узнать о составе и свойствах таких веществ. Что значит «неньютоновская жидкость»? Как «определить» её с точки зрения молекулярно-кинетической теории, которую мы изучали на уроках физики в этом году. В интернете я нашел много разных рецептов с разными свойствами лизунов, и мне пришла в голову идея: «А почему бы не попробовать сделать разных лизунов и оценить их свойства». Так и родилась тема и цель проекта.

Цель проекта: Исследование свойств разных видов лизунов с целью определения их агрегатного состояния в нормальных условиях (жидкость или твёрдое тело) с точки зрения МКТ.

Задачи:

1. проанализировать литературу о неньютоновской жидкости и веществ со схожей структурой с точки зрения науки; изучить историю открытия и создания лизунов.

2. найти в источниках СМИ и научной литературе разные рецепты лизунов;

3. изготовить лизуны по рецептам;

4. выбрать признаки для сравнения полученных представителей неньютоновской жидкости;

5. сравнить по выбранным признакам свойства полученных лизунов;

6. Сделать вывод по полученным результатам о принадлежности лизуна к твердым или жидким телам.

Материалами будут служить крахмал, вода, клей ПВА с разными производственными добавками, тетраборат натрия, красители, силикатный клей и спирт. А также оборудование: мерные стаканы, пластиковый контейнер, ложка, деревянные палочки для смешивания. Методы, используемые в работе: анализ литературы, экспериментирование, сравнение по выбранным признакам и анализ полученных результатов.

Объект исследования: лизун

Предмет исследования: свойства и структура лизуна.

Практическая значимость данного проекта состоит не только возможности получения рецептов изготовления лизуна с заданными свойствами для дальнейших исследований или развлечений, но и более глубоком изучении молекулярно-кинетической теории, а также наглядных опытах, демонстрирующих научные взгляды.

1. Обзор литературы

1. МКТ и агрегатное состояние вещества

Основные положения МКТ

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.[3]

Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры. Простые одноатомные молекулы имеют размер порядка 10^–10 м. Сложные многоатомные молекулы могут иметь размеры в сотни и тысячи раз больше.

Беспорядочное хаотическое движение молекул называется тепловым движением. Кинетическая энергия теплового движения растет с возрастанием температуры. При низких температурах средняя кинетическая энергия молекулы может оказаться меньше глубины потенциальной ямы E₀. В этом случае молекулы конденсируются в жидкое или твердое вещество; при этом среднее расстояние между молекулами будет приблизительно равно r₀. При повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы становится больше E₀, молекулы разлетаются, и образуется газообразное вещество.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела)[3]

1. Свойства твердых, жидких и газообразных тел

Согласно МКТ твердые тела имеют либо кристаллическую решетку, либо аморфную структуру, но в обоих случаях колебания молекул вещества происходят вокруг фиксированных центров – это определяет такие свойства твердых тел, как сохранять форму и объем, т.е., образно говоря, при воздействии силы форма тела не меняется, только если его не расколоть.

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел. Поэтому жидкости способны менять свою форму, так как текучи под воздействием силы, но они не меняют своего объема.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10^–8м, т. е. в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда. В пределе, когда взаимодействие стремится к нулю, мы приходим к представлению об идеальном газе. Поэтому газы способны менять и форму и объем под воздействием силы (при давлении).[3]

1. Что такое «неньютоновская жидкость»

В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро вести веслами 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 которою 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 и реологии (раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества).[1]

1. История открытия и создания лизуна

На Международной химической выставке в Москве в 1965 году было представлено необычное вещество в павильоне американской фирмы «Дженерал Электрик» с виду оно напоминало оконную замазку или жесткий пластилин: его было можно мять в руках и лепить фигурки, однако если бросить шар, слепленный из него, то он не прилипнет, а подскочит. Его можно было резко порвать или «расколоть» ударом молотка. Его назвали дурацкая замазка и поместили в магазин детских игрушек.

Первым, кто предположил о существовании подобных веществ был Джеймс Кларк Максвелл (1831 – 1879) английский физик. [4]

1. Лизун с точки зрения науки

Что такое лизун?

Лизун (смайл) – это игрушка, состоящая из вязкого желеобразного материала, обладающего свойствами неньютоновской жидкости. Основные компоненты — полисахарид и бура. Вместо полисахарида могут использоваться другие полимеры.

С химической точки зрения дурацкая замазка представляет собой кремнийорганический полимер, содержащий бор.[4]

Интересен своими свойствами неньютоновской жидкости. Материал похож на слизь, но при этом не разливается и легко собирается. Если слайм 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.[1]

У.Л. Уилкинсон в книге «Неньютоновские жидкости. Гидродинамика, перемешивание и теплообмен.» в 1964 году дал определение одного из типов неньютоновской жидкости, как «…- системы, обладающие свойствами как твердого тела так и жидкостии частично проявляющие упругое восстановление формы тела после снятия напряжения (так называемые вязкоупругие жидкости)»[2]

Впервые предложение о том, что могут существовать тела, которые являются текучими и упругими одновременно, и что четкой границы между жидкостью и твердым телом не бывает, высказал Джеймс Кларк Максвелл (1831 – 1879) английский физик. [4]

Все дело в соотношении между временем воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы. отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необходимое молекуле жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и частицы не успевают нужным образом перестроится «поддаваясь» внешней силе, происходит разрыв химических связей между молекулами (или даже внутри них). Время релаксации может изменяться в очень широких пределах- от тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.

Особый интерес представляет случай, когда время релаксации не слишком мало (как у воды) и не слишком велико(как у твердой смолы. Т.е. измеряется секундами или десятками долей секунды) Именно это наблюдается у «дурацкой замазки», или лизуна.

Таким образом, лизун имеет свойства неньютоновской жидкости, то есть молекулы вещества образуют необычные связи между собой и при сильной и резкой нагрузке молекулы не успевают перестроится под действием силы и сохраняют свое положение в течении некоторого времени. Это время называют временем релаксации. [4]

1. Материалы и методы:

Материалами будут служить крахмал, вода, клей ПВА с разными производственными добавками, тетраборат натрия, красители, силикатный клей и спирт. А также оборудование: мерные стаканы, пластиковый контейнер, ложка, деревянные палочки для смешивания.

Методы, используемые в работе: анализ литературы, экспериментирование, сравнение по выбранным признакам и анализ полученных результатов.

В качестве практики, мы взяли несколько рецептов лизунов:

1. Крахмал + вода (белый)

2. Тетраборат натрия + обычный клей ПВА (синий)

3. Тетраборат натрия + клей ПВА с пластификатором (розовый)

4. Тетраборат натрия + особый клей ПВА(персиковый)

5. Силикатный клей + этанол (мутно белый)

Рецепты изготовления лизунов

Рецепт изготовления лизуна №1

Способ изготовления:

Смешать 2 части кукурузного крахмала и 1 часть воды

Рецепт изготовления лизуна № 2

Способ изготовления: к клею ПВА добавить

гуашь и, перемешивая, понемногу добавлять тетраборат натрия.

Рецепт изготовления лизуна № 3

Способ изготовления: к клею ПВА с пластификатором

добавить гуашь и, перемешивая, понемногу добавлять

тетраборат натрия.

Рецепт изготовления лизуна № 4

Способ изготовления: к клею ПВА - контакт

добавить гуашь и, перемешивая, понемногу добавлять

тетраборат натрия.

Рецепт изготовления лизуна № 5

Способ изготовления: 20 мл силикатного клея смешать с 5 мл 80% -этанола

Признаки сравнения лизунов

• Текучесть;

• Умение сохранять форму;

• проявление силы упругости телом, как результат электромагнитного взаимодействия частиц тела (сопротивлении удару, способность разрыва при резком воздействии силы, способности растягиваться и т.д.);

• прыгучесть, как возможное «крайнее» проявление силы упругости при броске тела.

1. Ход работы

В источниках информации мы нашли 15 рецептов простейших лизунов и лишь только по 5 из них возможно было изготовить лизуна. По этим рецептам мы изготовили пять лизунов(Приложение фото 2-5, 9-12, 16-18, 22-25, 29-30).

Изучив свойства твердых, жидких и газообразных тел мы выбрали признаки, по которым сравнили полученных лизунов, то есть исследовали их свойства. Нами были выбраны два свойства жидкости: 1)текучесть; 2) неумение сохранять форму; а также два свойства твердых тел: 1) наличие силы упругости: сопротивлении удару, способность разрыва при резком воздействии силы, способности растягиваться и т.д.; 2)прыгучести-отскакиванию при броске (как возможное «крайнее» проявление силы упругости при броске тела).

Исследовали свойства полученных лизунов. Полученные результаты зафиксировали фотографиями (Приложение фото 6-8, 13-15, 19-21, 26-28, 31-33). Проанализировали результаты и сделали выводы.

1. Результатов и их обсуждение

В ходе работы были изготовлены пять видов лизунов(Приложение фото 34-38) и исследованы по четырем признакам:

• Текучесть;

• Умение сохранять форму;

• проявление силы упругости телом, как результат электромагнитного взаимодействия частиц тела (сопротивлении удару, способность разрыва при резком воздействии силы, способности растягиваться и т.д.);

• прыгучесть, как возможное «крайнее» проявление силы упругости при броске тела.

Свойства лизуна №1

• очень текуч;

• форму не держит;

• упругость проявляет только при резком ударе по поверхности;

• не прыгуч.

Свойства лизуна № 2

• очень текуч;

• форму держит, но недолго;

• упругость проявляет невысокую тянется легко, при резком рывке – рвется, на поверхность ложится слоями;

• не прыгуч.

Свойства лизуна № 3

• текуч;

• форму держит дольше, чем лизун №2;

• упругость проявляет среднюю, тянется с небольшим усилием, при резком рывке – рвется, на поверхность ложится слоями; более пластичен и упруг на ощупь;

• не прыгуч.

Свойства лизуна № 4

• практически не текуч;

• долго держит форму;

• упругость проявляет выше среднего, тянется с усилием, при резком рывке – рвется, упруг на ощупь;

• прыгуч.

Свойства лизуна № 5

• практически не текуч;

• долго держит форму, растекается только спустя некоторое время;

• упругость проявляет высокую, не тянется, рвется, упруг на ощупь;

• прыгуч.

Анализируя полученные результаты мы можем увидеть, что лизуны по нарастающей от лизуна №1 к лизуну №5 проявляют увеличение силы упругости, так как у них снижается текучесть, лизун № 4 и лизун №5 уже способны держать форму довольно долгий промежуток времени, как твердые тела; Лизуны № 3 - №5 способны рваться при резком рывке, а лизуны № 4 и № 5 тянутся с усилием. Более того лизуны № 4 и № 5 проявляют прыгучесть- отскакивают при броске.

Выводы

1.В ходе работы были изготовлены 5 видов лизунов.
2. Изучена история лизунов, как представителей неньютоновской жидкости, известной в 18 веке как вещества с определенным временем релаксации и занимающие промежуточное место между твердыми и жидкими телами.
3. Свойства лизуна зависят от ингредиентов из которых они состоят и могут быть текучими, как лизун №1 из крахмала; тягучими –лизуны №2-№4, состоящие из клея ПВА и тетрабората натрия, прыгучими-лизуны №4, №5 из ПВА с модификатором «Контакт» или силикатного клея. Однако, если в клей ПВА добавлены добавки-модификаторы, можно получить не просто пластичного лизуна (если клей с пластификатором), но и прыгуна – как из клея ПВА – контакт.
4. Используя определенные рецепты, можно получить лизуна с ожидаемыми свойствами.

5.Лизуны, изготовленные по разным рецептам в разной мере проявляют свои свойства как жидкости или как твердого тела. Так лизуны № 1- № 3 ближе к жидкостям, так как более текучи, легко растягиваются и не держат форму, в то время как лизуны № 4 и № 5проявляют свойства близкие к твердым телам, такие как умение долгое время держать форму (при слабой текучести), разрываются при резком рывке и прыгучи.

Поэтому мы пришли к выводу, что лизуны занимают место промежуточной формы агрегатного состояния между твердым и жидким телом, как описал это английский физик Джеймс Кларк Максвелл, то есть это тела с промежуточным временем релаксации, так же подходит определение «неньютоновской жидкости», или вязкоупругие системы по У.Л. Уилкинсону..

Заключение

Изготовление и изучение лизунов было очень интересно и доставило много ярких впечатлений для младших школьников нашей школы! Один вопрос остался не изученным: как определять время релаксации молекул вещества, чтобы составить таблицу подобных тел с промежуточной агрегатной формой и научиться предсказывать их «поведение» в определенных условиях и как влияет на свойства лизуна наличие бора или кремния в его составе.

Хотелось бы исследовать эту тему в дальнейшем.

Список использованных источников информации

1. Википедия. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/

2. Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости. Гидродинамика, перемешивание и теплообмен. / пер. с англ. — М.: Издательство «Мир», 1964. -218 с.

3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия /Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта=, 2001. - 640 с.

4. Физика. Режим доступа: https://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph1/theory.html

ПРИЛОЖЕНИЕ

Фото отчет

«Изготовление лизунов

по разным рецептам и исследование их свойств»

Фото 1. Материалы для проведения эксперимента

Фото 2-5. Изготовление лизуна №1

Фото 6-8. Исследование свойств лизуна №1

Фото 9-12. Изготовление лизуна № 2

Фото 13-15. Исследование свойств лизуна № 2

Фото 16-18. Изготовление лизуна № 3

Фото 19-21. Исследование свойств лизуна № 3

Фото 22-25. Изготовление лизуна № 4

Фото 26-28.Исследование свойств лизуна № 4

Фото 29-30. Изготовление лизуна № 5

Фото 31-33. Исследование свойств лизуна № 5

Фото 34-38. Изготовленные лизуны