Исследовательская работа "Неньютоновская жидкость"

Российская научно-социальная программа для молодежи и школьников «Шаг в будущее»

Международный форум научной молодежи «Шаг в будущее»

Всероссийский конкурс-выставка научно-технологических и социальных предпринимателей

«Молодёжь. Наука. Бизнес».

(Россия, Москва, 21-23 марта 2022 г.)

Неньютоновская жидкость: свойства и применение

Автор:

Нуриев Тимур Дамирович

Россия, Челябинская область, г. Троицк,

МБОУ «СОШ №3», 5 класс

Научный руководитель:

Мельникова Елена Петровна, г. Троицк,

МБОУ «СОШ №3»

Я, Мельникова Елена Петровна, подтверждаю, что текст данной работы содержит не более 25 страниц, из них текст статьи и список литературы ‒ не более 14 страниц, приложения ‒ не более 10 страниц

_______________________________

подпись, дата

Неньютоновская жидкость: свойства и применение

Нуриев Тимур Дамирович

Россия, Челябинская область, город Троицк, МБОУ «СОШ №3», 5 класс

Аннотация

Цель: выяснить особенности и свойства неньютоновских жидкостей, возможность их использования в практических целях.

Задачи:

1. Собрать теоретический материал о неньютоновской жидкости.

2. Изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей.

3. Узнать область применения неньютоновских жидкостей.

Объект исследования: неньютоновская жидкость.

Предмет исследования: свойства неньютоновских жидкостей.

Методы исследования:

Изучение литературных источников, Интернет-ресурсов;

Опытно-экспериментальная работа;

Наблюдение;

Анализ полученных результатов.

Гипотеза: предполагаю, что неньютоновские жидкости могут служить защитной оболочкой.

Статья посвящена актуальной теме – изучению свойств неньютоновской жидкости. В данной работе автор рассматривает историю изучения свойств неньютоновской жидкости, дается определение понятию «неньютоновская жидкость», рассмотрены сферы ее применения.

В практической части автор проекта проводит опыты по изготовлению неньютоновской жидкости и изучение ее свойств.

Практическая значимость: неньютоновские жидкости можно использовать для изготовления средств защиты.

Ключевые слова: понятия «ньютоновская» и «неньютоновская» жидкости, свойства.

Вывод: получили неньютоновскую жидкость и проверили ее свойства.

Нас окружает огромное количество жидкостей. 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 ее свойством является, то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.

Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Я заинтересовался необычными свойствами таких жидкостей и провел несколько опытов.

Цель: выяснить особенности и свойства неньютоновских жидкостей, возможность их использования в практических целях.

Задачи:

1. Собрать теоретический материал о неньютоновской жидкости.

2. Изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей.

3. Узнать область применения неньютоновских жидкостей.

Методы исследования:

Изучение литературных источников, Интернет-ресурсов;

Опытно-экспериментальная работа;

Наблюдение;

Анализ полученных результатов.

Гипотеза: предполагаю, что неньютоновские жидкости могут служить защитной оболочкой.

Объект исследования: неньютоновская жидкость.

Предмет исследования: свойства неньютоновских жидкостей.

1. Теоретическая часть

1.1. Ньютоновская и неньютоновская жидкости: сходство, различие

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 обычно 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 [1].

Данная работа посвящена необычным жидкостям, которые обладают удивительными свойствами и очень интересны для изучения: при малых нагрузках они мягкие, текучие и эластичные, а при больших – становятся твердыми и очень упругими. Эти жидкости называются неньютоновскими. Первые работы о свойствах неньютоновских жидкостей появились в 50-х годах прошлого века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, пищевой промышленности. 

Своим названием они обязаны английскому ученому Исааку Ньютону.

Исаак Ньютон 

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 [2].

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 [3].

Самыми известными примерами таких жидкостей являются: зыбучие пески. Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Если встать на такой песок, начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет.

Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология (от греч. ρέος «течение, поток» + λόγος «учение, наука») — раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Изучая деформационные свойства реальных тел, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой. Реология рассматривает действующие на тело механические напряжения и вызываемые ими деформации. Термин "реология" ввёл американский учёный-химик Юджин Бингам. Официально термин "реология" принят на 3-м симпозиуме по пластичности (1929, США) Реология тесно переплетается с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести. В основу реологии легли законы Исаака Ньютона о сопротивлении движению вязкой жидкости [4].

2.1. Приготовление неньютоновской жидкости

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

Оборудование: вода, крахмал, чаша.

Ход эксперимента:

1. Взял чашу с водой и крахмал. Смешал в равных долях вещества. Постепенно подливал воду и мешал, пока не получилась однородная масса. Эта жидкость и будет для нас примером неньютоновской.

2.2. Основные свойства ньютоновской и неньютоновской жидкостей

Для демонстрации свойств неньютоновской жидкости я проделал несколько опытов:

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

2) Резко ударил 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 опустил в жидкость большой и указательный пальцы, затем при быстром их сжатии, между пальцами получился твердый комочек. Это не крахмал застыл, это неньютоновская жидкость проявляет свои свойства.

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

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

6) Скатывание шариков из водного раствора крахмала. Крахмальный раствор налил в руку, он лежит в ладони лужицей. Быстрыми движениями скатал из раствора шарик. Пока катал шарик, в руках был твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет шарик. Как только разжал руки, твердый до этого времени шар тут же растекся по руке. Связанно это с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова принимает свойства жидкой фазы.

2.3. Защитные свойства неньютоновских жидкостей

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

В дальнейшем я решил проверить: будет ли неньютоновская жидкость являться хорошим защитным материалом. Проведу несколько опытов.

1) Опыт с ударами.

Проведу еще один опыт, попробую бить кулаком по воде и неньютоновской жидкости. При ударах по воде она расплескивается, а кулак тонет, практически не встречая сопротивления. При ударах кулаком по неньютоновской жидкости кулак не погружается в жидкость. Но при медленном погружении кулака, он погружается как в обычную жидкость.

Еще я попытался провести опыт с забиванием гвоздя. Для этого я попытался забить гвоздь в брусок. В чашке с водой, брусок под ударами тут же оказывался под водой, забить гвоздь не получалось. В чашке с неньютоновской жидкостью брусок не тонул, а только немного пружинисто проседал, и гвоздь получилось забить.

2) Опыт с яйцом.

Проделал еще один опыт с обычной жидкостью и неньютоновской. Для этого мне понадобились яйца, прочные пластиковые пакеты, вода и неньютоновская жидкость.

Наполнил пакет водой, опустил в него яйцо и крепко завязал. После этого позволил пакету упасть с высоты около метра. Яйцо разбилось. Повторил 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.

Эти опыты наглядно подтверждают мою гипотезу, и хорошо иллюстрируют то, что неньютоновскую жидкость можно использовать как защиту от ударов.

1. Возможности неньютоновских жидкостей и их применение

В мире очень популярны данные жидкости. 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, относится к дилатантным неньютоновским жидкостям [5] .

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.

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 салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму [6].

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 [7].

Также 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 двигателе.

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. Также технологии этой компании используется в изделиях многих компаний [8].

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

Неньютоновы 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 проблемой. Как оказалось, добавление в жидкость малого количества полимера значительно снижает силу трения. Этот эффект используют при перекачке нефти по длинным трубопроводам [9].

Заключение

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Я надеюсь, что мне удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

По итогам работы были выполнены все поставленные задачи. Проведенные опыты проиллюстрировали цель проделанной работы: мы выяснили особенности и свойства неньютоновских жидкостей, возможность их использования в практических целях. Опыты по выявлению защитных свойств неньютоновской жидкости полностью подтвердили мою гипотезу: неньютоновские жидкости могут служить защитной оболочкой.

У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни.

1. Перышкин А.В. Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2008 г

2. Шаповалов В. М. Валковые течения неньютоновских жидкостей / Шаповалов В. М. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 433 c

3. Зельдович, Я.Б. Высшая математика для начинающих и её приложения к физике / Я.Б. Зельдович. - 1995. - 137 c

4. Титьенс, О. Гидро- и аэромеханика: по лекциям профессора Л. Прандтль. Том 1: равновесие, движение жидкостей без трения / О. Титьенс, Л. Прандтль. - 2013. - 567 c

5. Ректорис, К. Вариационные методы в математической физике и технике / К. Ректорис, 1985. - 363 c

Электронные ресурсы

6. https://rosuchebnik.ru/material/issledovanie-nenyutonovskoy-zhidkosti-7277/

7. http://ru.wikipedia.org Неньютоновские жидкости

8. http://www.youtube.com/watch?v=sbCW2RydyLU

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

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