Неньютоновская жидкость Исследовательская работа

Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство общего и профессионального образования Ростовской области

Неньютоновская жидкость

Исследовательская работа

Выполнила: Шевцова Полина

Учащаяся 10 «Б» класса

МБОУ Заветинской СОШ №1.

347430. Ростовская обл.,

Заветинский район, с. Заветное,

ул. Ломоносова 2.

Домашний адрес:

347430. Ростовская обл.,

Заветинский район, с. Заветное,

ул. Кривошлыкова 21.

Заветинский район, с. Заветное,

ул. Ломоносова 2.

с. Заветное

2018г.

1. Введение……………………………………………………………с. 3-4

2. Основная часть……………………………………………………. с. 5-12

1. . Теоретическая часть…………………………………………. с. 5-7

2. . Экспериментальная часть………………………………........ с. 8-9

3. . Применение неньютоновских жидкостей…………………...с. 10-12

1. Заключение………………………………………………………... с. 13

2. Список используемой литературы и интернет-источников…….с. 14

3. Приложение………………………………………………………………………………… с. 15-20

Ни один человек не может уйти от реального материального мира, окружающего его. Природа, быт, техника и всё, что нас окружает, подчинено единым законам физики. Для каждого наступает такой момент, когда под понятием жидкость человек будет понимать не просто молоко или же воду, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства.

Проблема: я заинтересовалась таким вопросом: «Как же ведёт себя неньютоновская жидкость, почему она не обладает всеми свойствами, присущими обычным жидкостям?» Я постараюсь в конце проекта ответить на все поставленные мной вопросы.

Актуальность: нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкостей, вода даёт нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы всё время сталкиваемся с использованием жидкостей в быту: пьём чай, моем руки, наливаем масло на сковороду. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.

Объект исследования: неньютоновская жидкость.

Предмет исследования: физические свойства и использование неньютоновской жидкости в повседневной жизни.

Цель исследования: изучить некоторые физические свойства неньютоновской жидкости.

Задачи проекта:

1. Собрать теоретический материал о неньютоновской жидкости;

2. Узнать в чём отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей, и почему их так назвали;

3. Опытным путём изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей (плотность, температуру кипения, температуру кристаллизации);

4. Узнать область применения неньютоновской жидкости.

Гипотеза: неньютоновская жидкость может служить защитной оболочкой.

Новизна: среди учеников нашей школы данной темой ещё никто не интересовался и не проводил исследований.

Методы и приёмы исследования:

1) Анализ;

2) Изучение печатных и интернет-источников;

3) Опыты;

4) Наблюдения.

Теоретическая значимость работы определяется тем, что выводы и опыты, сделанные в ходе исследования, позволяют изучить все свойства этой жидкости в полном объёме.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы на уроках, дополнительных занятиях по физике.

Характеристика источников для написания данной работы.

В работе были использованы интернет-источники, книги: «Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей» Дж. Астарита, Дж. Марруччи, «Неньютоновские жидкости» У.Л. Уилкинсон.

Жидкость – это одно из состояний вещества. Таких состояний три, их еще называют агрегатными: это газ, жидкость и твердое вещество. Жидким вещество называют, если оно обладает свойством неограниченно менять форму под внешним воздействием, 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 бывают идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, то есть отсутствием сил трения. Реальные – это вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, то есть наличием сил трения. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

К ньютоновским относятся однородные жидкости. Ньютоновская жидкость – это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние, что бы вы с ними не делали (если речь не идет об испарении или замораживании). Другое дело – это неньютоновские жидкости. Их особенность заключена в том, что их текучие свойства колеблются в зависимости от скорости ее тока.

Еще в конце XVII века великий физик Ньютон (Приложение №1) обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно (Приложение №1). Тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее. Ньютон пришел к изучению течения жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной системы (Приложение №1) посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. В своих наблюдениях он установил, что если поддерживать вращение цилиндра, то оно постепенно передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие одинаковое распространение. Исторически эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости.

Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры ­(Приложение №1), то при её течении вязкость зависит от градиента скорости (от величины различий в скорости движения слоев жидкости). Такие жидкости называют неньютоновскими. Неньютоновскими (или аномальными) называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких аномальных с точки зрения гидравлики жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.[1, 3]

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 даже звуковыми волнами и электромагнитными полями. 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 (Приложение №1), связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, поэтому мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости. [2, 5]

Вывод: в результате мы можем понять, в чём всё-таки состоит отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей. Ньютоновская жидкость ведёт себя как простая, привычная нам жидкость, а неньютоновская не подчиняется законам, присущим обычным жидкостям.

В домашних условиях мне удалось подробнее изучить данное явление, провести много дополнительных экспериментов.

Эксперимент №1 «Получение неньютоновской жидкости»

Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.

Оборудование: вода, крахмал, чаша. (Приложение №2)

Ход эксперимента:

1. Взяли чашу с водой и крахмал. Смешали в равных долях вещества. (Приложение№2);
2. Получилась белая жидкость. (Приложение №2)

Заметили, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет. Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик (Приложение №2). При воздействии на жидкость, когда мы будем катать шарик, в руках он станет твёрдым, 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 (Приложение №2). Связано это с тем, что после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.

Вывод: если на эту жидкость с силой воздействовать, то она приобретает свойства твердого вещества. По этой жидкости можно даже бегать, но если замедлить действие, то человек сразу же погружается в жидкость.

Что же происходит с неньютоновскими жидкостями?  Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде хаотически сплетенных молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешнее воздействие как упругая пружина. При медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться. Сетка рвется, и молекулы расходятся.

Эксперимент №2 «Изучение некоторых физических свойств неньютоновских жидкостей»

Для изучения свойств мы взяли смесь крахмала с водой, полученную в предыдущем эксперименте, гель для душа и подсолнечное масло. (Приложение №3)

Цель этого эксперимента: опытным путём определить плотность, температуру кипения и температуру кристаллизации данных жидкостей. (Приложение №3)

В результате проведённых опытов мы получили следующие данные: [2]

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Если мешаем быстро неньютоновскую жидкость, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет. При быстром движении такая жидкость ведёт себя как твердое тело.
2. При изменении температуры изменяется плотность жидкости.

Применение неньютоновских жидкостей

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 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 (Приложение №4), блеск для губ (Приложение №4), подводка для глаз (Приложение №4), тушь для ресниц (Приложение №4), лосьоны (Приложение №4) или лак для ногтей (Приложение №4). 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. (Приложение №4)

В гелях для душа (Приложение №4) 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 (Приложение №4) — ниже, а лосьоны (Приложение №4) — 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 лосьоны 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 остаётся 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 следует рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.

Применение в кулинарии:

Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной, в кулинарии используют вязкие продукты питания.

Продукты с большой вязкостью, например соусы, (Приложение №5) 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 (Приложение №5) — 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 (Приложение №5) или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.[4]

Применение в медицине:

В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови (Приложение №6), 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 технике:

Неньютоновские жидкости используются в автопроме. Моторные масла синтетического производства (Приложение №6) уменьшают трение двигателей.[1]

Вывод: в результате собранной мной информации я могу сказать, что неньютоновская жидкость в настоящий момент очень ценится людьми, используется в разных сферах их жизни.

1. Данное исследование стало для меня интересным и полезным, так как я давно была заинтересована в изучении неньютоновской жидкости.

2. Я изучила некоторые физические свойства, рассчитала плотность, определила температуру кипения и кристаллизации неньютоновских жидкостей экспериментальным путём.

3. Узнала, в чём состоит отличие ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

4. Узнала области применения неньютоновских жидкостей.

Практические рекомендации: можно использовать моё исследование на уроках физики, когда будут изучаться свойства разных жидкостей, можно также показывать тем ученикам, которые более подробно интересуются физикой.

1. «Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей», авторы:

Дж. Астарита, Дж. Марруччи (Понятие неньютоновской жидкости, применение неньютоновских жидкостей);

1. «Неньютоновские жидкости», автор: У.Л. Уилкинсон (Табличные данные, свойства неньютоновских жидкостей);

2. http://ru.wikipedia.org (Теоретическая часть);

3. http://www.google.ru (Области применения неньютоновских жидкостей);

4. http://naukaveselo.ru (Свойства неньютоновских жидкостей).

Приложение №1

Исаак Ньютон

Модель Солнечной системы Сложные

пространственные структуры молекулы

Приложение №2

Эксперимент №1 «Получение неньютоновской жидкости»

Приложение №3

Эксперимент №2 «Изучение некоторых физических свойств неньютоновских жидкостей»

Приложение №4

Применение в косметологии

Приложение №5

Применение в кулинарии

Приложение №6

Применение в медицине

Применение в технике