Загадки неньютоновской жидкости
Человек на протяжении нескольких тысячелетий проявляет значительный интерес к изучению жидкости, этот интерес вызван рядом причин.
Во — первых, наличие в природе значительных запасов жидкостей, которые легкодоступны человеку.
Во — вторых, жидкие тела обладают рядом полезных свойств, которые можно без особых проблем использовать в повседневной жизни.
В — третьих, немаловажным фактором является то, что большинство химических реакций протекают в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).
Жидкостью — это одно из состояний вещества, основным свойством которой, является способность неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём. К Физическим свойствам жидкости относятся: текучесть, сохранение объёма, вязкость, испарение, кипение и т.д.
В гидродинамике жидкости делятся на ньютоновские и неньютоновские?
Откуда возникло такое деление?
В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. Он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё. Следовательно, Ньютоновская жидкость это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона.
А неньютоновская жидкость та, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. К ним можно отнести масляные краски, зубную пасту, болото, жидкое мыло, зыбучие пески и др.
На сегодняшний день существует множество примеров применения такой жидкости: в кулинарии, косметологии, медицине и др.
С целью выяснения распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей было проведено анкетирование студентов, преподавателей и родителей учащихся.
Результаты показали: около 50% опрошенных ответили, что существуют жидкости по поверхности которых ходить можно и это не вода. Остальные же не верят в существование такие жидкостей или попросту о них не знают. Результаты анкетирования убедительно показали, что данная работа будет интересна не только студентам, но и взрослым.
Таблица 1 Результаты анкетирования
| Вопросы | Ответы студентов | Ответы родителей |
| 1. может ли человек ходить по поверхности воды? | 53 % ответили, что жидкости, по поверхности которых человек может ходить, существуют и уверены, что это не вода. | 85 % отрицательных ответов |
| 2. Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости? | 46 % отрицательных ответов | |
| 3. Если «да», то, что это за жидкость? | 8 % опрошенных учеников ответили, что передвигаться надо очень быстро, а жидкость должна быть очень вязкой. | 19 % предполагают, что такие жидкости существуют: это жидкости вязкие, с большой плотностью. |
Для исследования свойств неньютоновской жидкости мы совместно с преподавателем ее приготовили, смешав при этом крахмал и воду в пропорциях 1:1. В результате получили вязкую жидкость, обладающую уникальными свойствами.
Опыт №1. Заметили, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет.
Опыт №2. Так, если в воду бросить предмет он упадет на дно, но если этот же предмет бросить в неньютоновскую жидкости он какое то время будет на поверхности, как если бы он соприкоснулся с твёрдым веществом.
Опыт №3. Кроме того, можно опустить руку в жидкость и резко сжать пальцы. Можно почувствовать, как между ними образовалась твёрдая прослойка.
Опыт №4. Если опустить предмет в эту смесь и резко попытаться её вытянуть, то большая вероятность, что она поднимется вслед за ним, в отличие от воды.
Опыт №5. Когда быстро воздействовать на жидкость, например, катать шарик, то он получится на самом деле, но как только мы прекратим это воздействие, то жидкость растечется в руке. Следовательно, если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, а если это прекратить, то она снова примет свойства жидких тел.
Опыт №6. Течение вязкой жидкости. Неньютоновскую жидкость выливали с высоты 15 см и наблюдали: что струйка начинает накручиваться колечками или складываться складками, образуя «жидкий канат». Это получалось из-за того, что падая и ударяясь о поверхность, струйка сжимается.
В результате проведенных опытов было выявлено ряд различий свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей, что позволяет ее использовать в современном мире. А также был проведён обзор теоретических источников информации. Проведена серия экспериментов с неньютоновской жидкостью. Были выполнены все поставленные задачи, сделаны все запланированные опыты и подтверждена гипотеза: неньютоновская жидкость, это смесь, которая действительно обладает свойствами жидкостей, а также некоторыми «особыми» свойствами и по ней можно ходить!
Таблица 2 Сравнение свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей
| № | Свойства | Ньютоновская жидкость | Неньютоновская жидкость |
| 1 | Текучесть | Да | Да |
| 2 | Вязкость | Незначительная | Значительная |
| 3 | Смачивание | Значительное | Незначительное |
| 4 | Испарение | Да | Да |
| 5 | Смешиваемость | Отличная | Затруднена |
| 6 | Однородность по составу | Однородны | Неоднородны |
| 8 | Пластичность | Нет | Да, некоторые видны |
| 9 | Хрупкость | Нет | Да, некоторые видны |
| 10 | Твердеет при сжатии или ударе | Нет | Да, некоторые видны |
| 11 | Пружинит при ударе | Нет | Да, некоторые видны |
Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.
Сайт про изобретения своими руками
МозгоЧины
Сайт про изобретения своими руками
Как изготовить неньютоновскую жидкость самостоятельно в домашних условиях
Как изготовить неньютоновскую жидкость самостоятельно в домашних условиях
С жидкостью мы сталкиваемся ежедневно. Но вы слышали о жидкости, которая становится твердой, если на нее воздействовать? В статье мы расскажем об интересной, неньютоновская жидкости. Подвергаясь физическому, звуковому или механическому воздействию она меняет свойства вязкости и плотности. Если нагрузка небольшая — становится эластичной, при сильной нагрузке твердая и упругая.
Давайте сравним ньютоновскую и неньютоновскую жидкость. Оказывая любое влияние на обычную жидкость, она всегда изменяется. Оказывая воздействие на неньютоновскую — она начнет проявлять свойства твердого тела.
Определение и примеры
Природный пример неньютоновской жидкости — болотные трясины, зыбучие пески, грунтовые плывуны. Ступая в зыбучий песок или в болото, начнешь погружаться под слой песка и воды, но стоит приложить силу и хлопнуть по поверхности рукой, она моментально станет твердой.
Немного истории
Знаменитый физик Исаак Ньютон заметил, что, если плыть по реке и быстро грести веслами – так намного сложнее, нежели, это делать медленно. Эта мысль натолкнула его сформулировать закон, что вязкость жидкости увеличивается пропорционально силы воздействия на нее.
Неньютоновские жидкости, которые вы встречаете каждый день – масляные краски, тушь для ресниц, болото, кровь и многое другое.
Есть раздел в науке, который занимается изучение неньютоновской жидкости – реология. Это раздел в физике, где изучают деформацию и текучесть вещества.
Применение неньютоновских жидкостей
Она применяется во многих сферах деятельности – военные разработки, автопромышленность, косметология, кулинария.
В военном производстве разрабатывают новое поколение бронежилетов. Учеными был создан прототип бронежилета нового поколения. Между слоями жилета используют специальный жидкий состав, которая при ударе распределяется по всему бронежилету.
Если в такой жилет попадет пуля, то она не пробьет его, а застрянет внутри. Также применяется при других разработках, например, инновационный материал, из которого делают снаряжение для горнолыжников. Данный материал приставляет собой отдельные ячейки с жидкой и твердой фазой.
В косметологии используют свойства неньютоновской жидкости, чтобы косметика не растекалась по лицу, а держалась красивым макияжем. Примеры из косметологии – различные крема, тональные основы, туши, блески. К каждому продукту подбираются индивидуальные показатели вязкости.
В автомобильной промышленности тоже используют свойства неньютоновсих жидкостей, например, моторные масла. При работе двигателя они уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз.
В качестве примера из кулинарии можно привести кетчуп, майонез, сливочное масло.
Неньютоновские жидкости уже больше 50 лет используют в пожаротушении. Благодаря полимеру длина струи из бронзбойта почти в 2 раза длиннее.
Неньютоновская жидкость применяется во многих производственных процессах нефтепроизводства.
Классификация и свойства
Основные свойства неньютоновскй жидкости:
Как сделать неньютоновскую жидкость дома
Сейчас продают готовый набор с домашними опытами для всей семьи. Дальше мы расскажем, как приготовить ее в домашних условиях и какие опыты можно провести. Рецепт неньютоновской жидкости очень прост. Ингредиенты есть в каждом доме. На фото видно, как сделать раствор, и какие опыты провести.
Для неньютоновской жидкости нам понадобиться 2 ингредиента — крахмал и вода в пропорции 1 к 1. Пропорция может быть немного другой — все зависит от крахмала. Если вы будите видеть, что раствор слишком жидкий, добавьте еще крахмал. В миску с водой добавляем крахмал и начинаем размешивать.
Смесь станет густой и мешать ее будет трудно. Можете надавить на поверхность и почувствуете сопротивление. Оставьте раствор в покое и частицы крахмала выпадут на дно. Если вы начнете обратно смешивать, то смесь обратно начнет твердеть. Если размешивать быстро, то вязкость становится выше.
Опыты в домашних условиях
Опыты с ньютоновской жидкостью понравятся не только детям, но и взрослым.
Делаем всем знакомый из детства лизун или популярный слайм
Все помнят разноцветных лизунов, их можно было разминать руками, они не прилипали к коже и весело стекали по стене. Сделать такой лизун можно дома имея следующие ингредиенты — банка клея пва, понадобиться примерно 100 грамм, стакан воды и тетроборат натрия, который подают в любой аптеке в виде раствора или порошка.
Можно использовать различные пищевые красители, а для декора блестки и косметическую пудру.
В глубокой емкости смешиваем воду, клей и краситель. Аккуратно добавляем столовую ложку тетробората натрия, и все смешиваем. Наша жидкость становится густой и тягучей. Игрушка готова. Для сохранности лизун желательно хранить в закрытых емкостях и не допускать попадания прямых солнечных лучей.
Популярные сегодня слаймы – это тоже пример неньютоновской жидкости. Сделать их тоже легко в домашних условиях.
Как хранить неньютоновскую жидкость
Как только вы оставляете жидкость в покое на несколько часов, она начинает засыхать. Но стоит добавить воды, и вы снова можете проводить опыты всей семьей.
Лучше хранить в закрытой емкости. Если вы наигрались и хотите вылить, то дождитесь ее засыхания и утилизируйте в урну. В канализацию смывать нельзя.
Каждый день мы сталкиваемся с неньютоновской жидкостью. Мы рассказали, как легко из обычного крахмала дома приготовить необычную воду и провести с детьми опыты. А опыты с ней не только веселые, но и помогают легким языком изучать законы физики.
Неньютоновская жидкость полностью не изучена наукой, но ученые уверены, что благодаря ей произойдет прорыв во многих сферах производства.
Ньютоновская жидкость для чего она
Неньютоновская жидкость. Что это?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Жидкость окружает нас повсюду. Люди состоят в основном из воды. Мы сталкиваемся с использованием жидкости всегда и везде: пьём, умываемся, купаемся… Как мы представляем себе жидкость? Какими свойствами должна она обладать? Наверное, должна литься, растекаться, принимать форму того сосуда, в который её залили. Казалось, мы знаем о жидкости всё. Но, как оказалось, не всё мы знаем о ней. Ни все жидкости такие, какими мы привыкли их видеть. Однажды я увидел в интернете видеофильм о том, как проводят опыты с необычной жидкостью. Что это? Почему она не похожа на воду, молоко, бензин? Мне это показалось увлекательным и восхитительным! Так как фильм был коротким, из него я узнал совсем мало. Поэтому решил поподробнее узнать, что это за жидкость, и из чего ее изготавливают.
Цель исследования: узнать, что такое неньютоновская жидкость, какими необычными свойствами она обладает, и где ее применяют.
1)изучить литературу по теме исследования;
2)узнать области применения;
2)создать неньютоновскую жидкость;
3)провести эксперименты, демонстрирующие свойства неньютоновской жидкости в домашних условиях;
Объект исследования: неньютоновская жидкость.
Предмет исследования: свойства неньютоновской жидкости.
Гипотеза: предположим, что данная жидкость по своим свойствам отличается от привычного нам понятия жидкости.
1.1 Что такое неньютоновская жидкость?
Жидкость в окружающем нас мире встречается повсеместно. Свойства жидкостей знакомы каждому, и любой человек, взаимодействующий с ними в той или иной степени, может предугадать, как поведет себя какая-либо жидкость в конкретной ситуации. Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать в ежедневном использовании, подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими. Ньютоновская жидкость названа в честь Исаака Ньютона, который открыл закон вязкого трения для жидкостей.
Области применения неньютоновских жидкостей.
Неньютоновские жидкости с каждым годом все больше завоевывают наш мир. Ученым нравится этот материал, и они с завидным постоянством радуют нас новыми интересными идеями применения неньютоновских жидкостей.
Рассмотрим несколько вариантов использования и применения неньютоновских жидкости в мире в настоящее время:
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. (Приложение 3)
Самая первая игрушка-лизун или слайм (slime) была сделана компанией Mattel в 1976 году. Игрушка-Лизун заслужила популярность благодаря своим забавным свойствам – одновременно текучести, эластичности и возможности постоянно трансформироваться. Обладающая свойствами неньютоновской жидкости, игрушка-лизун быстро стала безумно популярной у детей и взрослых. Лизуна можно было купить не везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях. (Приложение 4)
В автомобильной промышленности:
Неньютоновские жидкости используются в автомобильной промышленности: моторные масла синтетического производства на основе неньютоновской жидкости обладают отчетливо выраженными преимуществами, в частности они создают защитную пленку смазочного материала, которая никогда не стекает с рабочих поверхностей двигателя. Мы развели неньютоновскую жидкость в таз, и нам удалось побегать на неньютоновской жидкости. (Приложение 5)
2.1 Изготовление неньютоновской жидкости.
Мы сами легко можем сделать вариант неньютоновской жидкости, которая называется «ооблек» («oobleck ) Рецепт ее прост.
Приготовление крахмального раствора
Цель: получить неньютоновскую жидкость.
Для приготовления нам нужны крахмал (картофельный, кукурузный) и вода. В глубокую миску высыпали крахмал и добавили воду. Пропорция зависит от качества крахмала и обычно составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В результате смешивания получили нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами. (Приложение 6)
Нечто необычное мы заметили, как только стали смешивать крахмал и воду. По виду это был кисель или тесто для блинов. Но размешать её было непросто. Казалось, что не сможем растворить крахмал. Оказывается, он и не растворится. Поэтому у нашей жидкости свойства интересные.
Попробуем изучить свойства жидкости.
Проведём несколько опытов и посмотрим, как неньютоновская жидкость будет себя вести при различном воздействии на неё.
Я опустил руку в жидкую массу и резко попробовал сжать пальцы внутри нее. Также можно резко попробовать вытащить руку из нее. Главное все это делать быстро. В ходе проведения опыта можно заметить, что при резком воздействии на неньютоновскую жидкость она моментально крепчает. (Приложение 7)
Вывод: таким образом, резко сжать внутри нее пальцы не получится, и резко вынуть руку тоже, несмотря на то, что при медленном погружении в нее руки мы чувствовали обыкновенную жидкость.
При медленном погружении сжатого кулака в неньютоновскую жидкость, она проявляет свойства обычной жидкости и не оказывает сопротивления. Но если по ней резко ударить, то она мгновенно превратится в более плотное вещество, и, пробить ее не получится. (Приложение 8)
Вывод: при быстром и резком взаимодействии она становится похожей на твердое тело, а при медленном воздействии становится жидкостью.
Мы попробовали скатать из данной жидкости шарик. Надо быстро потереть её в ладонях. Из-за трения образовывался небольшой твёрдый шарик, (Приложение 9) но когда прекращаешь воздействовать на нее, шарик моментально растекается в руках. (Приложение 10)
Вывод: при воздействии на жидкость, она твердеет, при прекращении воздействия – растекается.
Мы попробовали перелить жидкость из одного сосуда в другой.
При переливании неньютоновской жидкости из одного сосуда в другой, мы увидели, что она вновь проявляет как свойства твердого вещества, так и жидкого. При вытекании жидкости из одного сосуда, как и в момент своего падения, она остается жидкой, но при взаимодействии с поверхностью другого сосуда, или любой другой твердой поверхностью она на секунды столкновения становится твердой, и вновь растекается.
Вывод: при падении жидкость проявляет свойства жидких тел, пр соприкосновении с твёрдой поверхностью – твёрдых тел.
Взяли яйцо, положили его в пакет с водой, бросили с высоты данный пакет в ведро. Яйцо при ударе разбилось. Взяли другое яйцо и положили его в пакет с неньютоновской жидкостью. Точно так же бросили с высоты в ведро, но яйцо не разбилось. (Приложение 11)
Вывод: при ударе о ведро жидкость повела себя как твердое тело.
Мы пробовали забить гвоздь в брусок в сосуде с водой. Это нам не удалось, так как вода разбрызгивалась, брусок тонул и снова всплывал. Зато в брусок, который находился в неньютоновской жидкости, мы легко забили гвоздь. Так как жидкость принимала свойства твердого тела.
Вывод: при воздействии на жидкость, она принимает свойства твёрдого тела.
Приготовив большое количество жидкости, я попробовал по ней побегать. Интересно, что пока я перебирал ногами, оставался на поверхности. Как только останавливался, погружался в жидкость.
Вывод: жидкость твёрдая, пока на неё воздействует сила.
Неньютоновские же жидкости ведут себя по-другому, то, как она будет себя вести, зависит от характера воздействия на неё.
В ходе исследования мы провели опыты, показывающие занимательные свойства жидкости. Мы показали, что 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.
В своей работе мы показали маленькую часть того, что известно о неньютоновской жидкости.
Мы узнали, насколько распространены такие жидкости. Оказывается, область применения их обширна и мы думаем, что они найдут ещё большее применение.
Выдвинутая гипотеза о свойствах неньютоновской жидкости доказана с помощью проведенных нами опытов. Неньютоновская жидкость принимает свойства жидкого и твёрдого тела, чего не может сделать ньютоновская жидкость.
Неньютоновская жидкость – это пример того, что вокруг нас много удивительных вещей. Изучая данную жидкость и проделывая с ней различные опыты, мы получили массу впечатлений и новых открытий.
3.Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991. – 336с.
masterok
masterok Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости. 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.
Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, 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, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости
Вот еще один пример:
Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.
Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.
К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы.
При маленьких изменениях скоростей деформации молекулы высокополимеров или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования, а поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться.
А вот что можно сделать в домашних условиях:
А вот интересная штука: плывун — насыщенный водой грунт:
