Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы

«Школа № 950»

Северо-Восточный административный округ

Исследовательская работа по физике

На тему

Неньютоновская жидкость и ее применение

Выполнила

Ученица 7 «А» класса

Самохвалова Карина

Руководитель

Учитель физики

Соколовская Алла Васильевна

Москва 2017

Введение

неньютоновский жидкость крахмал белок

Выполненная нами работа посвящена жидкостям, которые обладают необычными качествами и довольно увлекательны для исследования: при небольших нагрузках они мягкие, текучие и эластичные, а при больших - делаются жесткими и довольно упругими. Это неньютоновские жидкости. Впервые работы о свойствах неньютоновских жидкостей стали проводиться в 50-х годах минувшего века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, биогидродинамики, пищевой индустрии. Самое удивительное в неньютоновских жидкостях заключается в том, что ученые до сих пор не имеют полной картины о том, как они работают. Есть много предположений и моделей их поведения в зависимости от условий, но нет прямых и проверенных ответов.

Наиболее популярными примерами этих жидкостей в природе считаются:

· зыбучие пески, когда он в состоянии покоя, он кажется твёрдым, но маленькие (менее чем 1%) конфигурации в механическом напряжении на его плоскости приводят к существенному сокращению его вязкости. Если вы пытаетесь бежать по зыбучему песку, вы оказываете на него давление. Чтобы не провалиться надо медленно двигаться к твердой земле, также можно лечь на него, тем самым распределить свой вес на более широкую область и уменьшить давление. Сила, необходимая для освобождения из зыбучего песка, сравнима с весом машины;

· слизистый гель, по которому ползают улитки и слизняки по вертикали и перевернутой плоскости, представляет собой жидкость с неньютоновскими свойствами. Слизь действует как твердый клей в состоянии покоя, но сжимается, когда применяется напряжение. Используя это свойство, улитка может удерживать часть своей ноги, прикрепленной к стене, в то время как другие части движутся вперед;

· шелк пауков, чтобы сделать шелк, паук сначала производит белковый гель. Затем он выдавливает его через ряд органов, и шелк, наконец, выходит из его фильеры и высыхает. Конечная прядь имеет сложную, плотно сплетенную структуру. Недавние исследования показали, что белковый гель обладает неньютоновскими свойствами. Ученые предполагают, что, понимав неньютоновские свойства геля, они смогут, наконец, продублировать точные процессы, необходимые для синтеза искусственного шелка. В одном из исследований было обнаружено, что гель представляет собой жидкость, уменьшающую сдвиг, который и имеет очень важное значение для синтеза шелка. Поскольку фактический процесс экструзии оказывает чрезвычайно важное влияние на конечные характеристики шелка, ученые полагают что точное поведение геля жизненно важно и его необходимо изучать [1]. Гипотетически ученые могут использовать эти знания для создания шелка со специфическими свойствами, возможно, даже превосходящими натуральные шелка. Это может обеспечить более безопасные органические пластмассы, которые более экологичны, чем современные полимеры на основе нефти;

· суставы - еще один отличный пример биологических неньютоновских жидкостей. Синовиальные суставы, такие как суставы в запястье, уменьшают трения это в значительной степени связано со смазочными веществами, вырабатываемыми оболочкой, которая покрывает сустав изнутри и уменьшающими сдвиг, между поверхностями кости. Благодаря этому суставы способны выдержать большие нагрузки. Такое свойство можно использовать для улучшения искусственных суставов или конечностей.

Свойства неньютоновских жидкостей исследует наука реология (от греч. rheos течение и logos - учение). Исходные понятия реологии -- ньютоновская жидкость, вязкость которой не зависит от режима деформирований, и идеально упругое тело, в котором в каждый момент времени величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Эти понятия были обобщены для тел, проявляющих одновременно пластичные (вязкостные) и упругие свойства. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках и при течении. В основе науки лежат основные законы гидромеханики и теории упругости и пластичности.

С чисто научной точки зрения исследование неньютоновских жидкостей довольно любопытно и актуально, потому что при различных условиях их поведение, существенно отличается от поведения обыкновенной ньютоновской жидкости.

Гипотеза исследования: существуют жидкости, особые качества которых позволять улучшить дорожную обстановку.

Цель работы - узнать особенности и некоторые качества неньютоновских жидкостей, и возможности их применения.

Задачи исследования:

· Найти и изучить информацию о неньютоновских жидкостях.

· Провести анкетирование одноклассников, студентов и взрослых на степень информированности о неньютоновских жидкостях.

· Описать качества неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских жидкостей.

· Найти рецепты приготовления неньютоновских жидкостей и приготовить их.

· Провести экспериментальное изучение ряда качеств неньютоновских жидкостей с фото/видео фиксацией.

· Выяснить возможности использования неньютоновских жидкостей для совершенствования дорожной обстановки.

Методы исследования:

· Теоретические исследования с помощью различных и доступных источников информации.

· Сравнительный анализ механических качеств ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

· Экспериментальные изучения качеств неньютоновских жидкостей: раствора крахмала и воды, яичного белка и др.

· Визуальные исследования с фото/видео фиксацией.

· Анкетирование.

Актуальность работы заключается в том, что изучений качеств неньютоновской жидкости мало, а вещество, заключающее в себя качества и воды, и твердого тела можно применить во всевозможных сферах жизни.

1. Теоретическое исследование свойств неньютоновских жидкостей

1.1 Ньютоновские и неньютоновские жидкости

В зависимости от индивидуальностей течения все жидкостей разделяются на ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновская жидкость продолжает течь , и в случае если силы из вне довольно малы, только бы они не были строго нулевыми . Для ньютоновской жидкости вязкость , находится в зависимости лишь только от температуры и давления, а еще от хим.состава и не находится в зависимости от сил, воздействующих на неё. Сам Исаак Ньютон когда-то заявил, что вязкость или то, насколько устойчива жидкость к течению, зависит от температуры, Ньютоновскими считается огромная доля жидкостей: вода , водные смеси, нефтепродукты , ацетон и т.п.

Жидкости, поведение которых не подчиняется закону вязкого трения Ньютона, именуются неньютоновскими. Неньютоновская жидкость, такая как зыбучий песок, или слизь, имеет вязкость, которая зависит от силы, а не температуры. Эти жидкости изменяют собственную плотность и вязкость при воздействии на них не только силой, но и звуковыми волнами. Вязкость неньютоновских жидкостей растет при сокращении скорости тока жидкости.

Многие распространенные вещества проявляют неньютоновские свойства. К ним относятся:

· Мыльные растворы, косметика, зубная паста;

· Пища, такая как масло, сыр, джем, кетчуп, майонез, йогурт;

· Природные вещества, такие как магма, лава;

· Биологические жидкости, такие как кровь, слюна, слизь и синовиальная жидкость.

1.2 Классификация неньютоновских жидкостей

Классифицировать неньютоновские жидкости можно по их поведению при различном воздействии на них:

1) Dilatant - вязкость жидкости увеличивается при приложении силы, например, смесь крахмала и воды.

2) Pseudoplastic - противоположна Dilatant, чем больше прикладывается силы, тем менее вязкой становится жидкость, например, кетчуп.

3) Rheopectic - очень похожа на Dilatant, так как при приложении силы вязкость увеличивается. Разница заключается в том, что увеличение вязкости зависит от времени, например, гипсовая паста.

4) Thixotropic - жидкости с Thixotropic свойствами уменьшают вязкость при приложении силы. Это тоже свойство, зависящее от времени, например, косметика, асфальт, клей. [2].

1.3 Применение неньютоновских жидкостей

Ученые в настоящее время изучают неньютоновские жидкости для различных целей. Многие из них являются гипотетическими и их еще предстоит реализовать, в то время как другие изучаются более широко. На сегодня неньютоновские жидкости используют в разных сферах жизни человека, самые актуальные и передовые из них:

· материал d3o

· «жидкая сумка»

· мешки-заплатки для ремонта дорожных ям

· «жидкий бронижилет»

Уникальная ткань d3o (ди-три-о), придуманная Ричардом Палмером ( Richard Palmer), применяет необыкновенные качества неньютоновских жидкостей, а собственно их вязкость находящеюся в зависимости от скорости течения. Мягкая и гибкая ткань мгновенно твердеет при ударе и превращает куртку в надежную «броню», защищающую спортсмена. Ткань уже используется для изготовления снаряжения горнолыжников: наколенники, налокотники. В планах изобретателей , создавать из этой ткани бронежилеты - эластичные и не сковывающие перемещений , но не пробиваемые пулями и осколками.

Для защиты авиапассажиров , интернациональная команда научных работников придумала особую сумку -чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость имеет возможность работать замечательной " упаковкой" для потенциально взрывоопасных грузов. Открытие этой группы научных работников представляет собой чехол , внутри которого неньютоновская жидкость. Главным плюсом новинки считаются вес и удобство.

Группа учащихся Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США ) утверждает, что необходимо латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, заполненными неньютоновской жидкости. По словам создателей , неньютоновская жидкость пришла им в голову по причине дешевизны (обычная смесь воды с крахмалом) и особенных качеств.

Новый тип бронежилета создали специалисты из британской компании BAE Systems. Они предложили применить особенную водянистую субстанцию, которая станет наполнять место межслоями бронежилета. Жидкость уменьшит удар, распределяя импульс по всему бронежилету . Из чего произведена эта субстанция, сотрудники BAE Systems не распространяются.

Для защиты авиапассажиров , интернациональная команда научных работников придумала особую сумку -чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость имеет возможность работать замечательной " упаковкой" для потенциально взрывоопасных грузов. Открытие этой группы научных работников представляет собой чехол , внутри которого неньютоновская жидкость. Главным плюсом новинки считаются вес и удобство.

Группа учащихся Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США ) утверждает, что необходимо латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, заполненными неньютоновской жидкости. По словам создателей , неньютоновская жидкость пришла им в голову по причине дешевизны (обычная смесь воды с крахмалом) и особенных качеств.

Новый тип бронежилета создали специалисты из британской компании BAE Systems. Они предложили применить особенную водянистую субстанцию, которая станет наполнять место межслоями бронежилета. Жидкость уменьшит удар, распределяя импульс по всему бронежилету . Из чего произведена эта субстанция, сотрудники BAE Systems не распространяются.

2. Экспериментальное изучение качеств неньютоновских жидкостей

2.1 Результаты анкетирования

С целью проверки масштабов распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей было проведено анкетирование:

* учеников 7 классов ГБОУ Школы №950 г. Москва;

* студентов 1-го курса МПГУ;

* учителей ГБОУ Школы №950 и педагогов МПГУ.

Анкета содержала следующие вопросы:

1) Как Вы думаете, есть ли у человека возможности для того, чтобы ходить по воде?

2) Может ли человек ходить по поверхности какой-нибудь иной жидкости?

3) Если «да», то, собственно, что это за жидкость?

В итоге анкетирования подростков и студентов 1 курса лишь только 7% респондентов назвали неньютоновские жидкости (поклонники передачи Галилео), а это говорит о буквально полном отсутствии познаний о жидкостях такового семейства. Но инстинктивно 68 % опрошенных предположили, что эти жидкости есть и 83% респондентов не сомневаемся, собственно, что это не вода. 24% опрошенных учащихся довольно близки к осознанию такого, каким образом возможно передвигаться по плоскости жидкости и какой она обязана быть: передвигаться очень быстро, а жидкость обязана быть довольно вязкой. Ряд респондентов высказали довольно близкое к правде предположение, что эта жидкость должно быть похожа на кисель.

Итоги анкетирования взрослых показали приблизительно эту же картину, как и итоги подростков и студентов. Гигантская доля взрослых респондентов уверена, что бродить по воде и иным жидкостям невозможно (78% отрицательных ответов на 1 вопрос и 56 % - на второй). 44 % предполагают, что такие жидкости существуют: это жидкости вязкие, с большой плотностью.

Итоги анкетирования добавили нам уверенности, что выполняемая работа станет увлекательна не только нам как исследователям, но подросткам, и студентам, и зрелым взрослым людям.

2.2 Опыты с крахмалом и водой

Для изготовления неньютоновской жидкости нам необходимы крахмал ( картофельный, кукурузный) и вода . Соответствие крахмала и воды приблизительно 2х1 . При смешивании мы получаем смесь, которая должна иметь такую же вязкость, как мед. Если смесь получилась слишком густой или жидкой надо отрегулировать консистенцию путем добавления большего количества кукурузного крахмала или воды. Если выливать полученную смесь с некоторой высоты, то в начале струи она будет течь, как обычная жидкость, а достигая поверхности, она накапливается в виде глыб (комков).

Другой эксперимент - медленно опустить руку в смесь и резко сжать пальцы. Между пальцами, образуются сплошной слой. Поместив кисть в жидкость и попытавшись резко вытащить ее. Емкость вместе со смесью подумается вместе с рукой. Если же в ёмкость с консистенцией медленно погрузить руку, то итог буквально подобный же, как в случае если бы мы ввели руку в воду . Но в случае если применить силу, скорость и ударить по данной консистенции, то рука отпрыгнет, как в случае если бы это было твёрдое вещество.

2.3 Наблюдение эффекта Кайе

Если неньютоновскую жидкость лить с маленькой высоты в такую же жидкость или в жидкость со схожей плотностью и вязкостью, струйка не исчезает в самой себе, а бы отскакивает себя. Это явление назвали эффектом Кайе. Все наблюдали этот эффект, не придавая ему особого значения, например, наливая мед на кусочек хлеба или гель для душа на руку. Для наблюдения и фиксации этого эффекта мы из флакона выливали шампунь струйкой с высоты 20-25 от плоскости в контейнер. По мере того жидкость падала в жидкость, мы, наблюдали что струйка, падающая, начинала отскакивать от плоскости жидкости снизу. Струя изгибается и скользит, в месте падения струйки появляется маленький бугорок.

2.4 Наблюдение эффекта Вейссенберга

В если в воду, в любом контейнере, вдоль оси опустить крутящийся стержень, плоскость воды искривляется ввысь воздействием центробежной силы. Т.е. получается, что в ньютоновском случае инерция доминирует, и жидкость двигается к краям контейнера, подальше от стержня.

Неньютоновские жидкости ведут себя -другому. В случае если в яичный белок опустить крутящийся стержень, закреплённый в ручной дрели, белок поползет ввысь по стержню . Это явление именуется эффектом Вессенберга. Здесь, возникающие упругие силы при вращении стержня, приводят к положительной нормальной силе - жидкость поднимается вверх по стержню. Если опыт проводить в течении нескольких секунд, то жидкость, поднимающаяся по стержню примет форму луковичной фигуры, что является началом нестабильности, поскольку масса, которая была вытеснена стержнем расслабляется и преодолевает силу, толкающую снизу.

3. Использование неньютоновской жидкости для совершенствования дорожной обстановки

Относительно не так давно сотрудники испанской компании Bedennova сделали лежачие полицейские, которые имеют все шансы изменять форму в зависимости от скорости проезжающего по ним транспорта. Данная разработка создаст условия для изменения отношения автомобилистов к ограничителям скорости. Автомобилисты, едущие на адекватной скорости, имеют все шансы перебраться сквозь барьер без помех, но всем другим оно « напомнит» о надобности соблюдения правильного скоростного режима, создав то чувство, которое появляется во время преодоления самого обычного «лежачего полицейского». Внутренние отсеки «лежачего полицейского» заполнены неньютоновской тиксотропной жидкостью , которая мгновенно откликается на скорость , с которой транспорт подъехал к препятствию. На фазах переезда через это препятствие видно, что неспешная машина не подлетает над поверхностью дороги, в противовес быстрой (рис.1).

При маленькой скорости При высокой скорости

Рис.1

В этой работе мы пришли к заключению, что необходимо применить удивительные качества неньютоновской жидкости для совершенствования дорожной ситуации на дорогах. Автовладельцам, которые периодически не соблюдают установленный скоростной режим ставить в авто амортизаторы с изменяемой жесткостью.

Главные нагрузки при перемещении автомашины в подвеске принимает на себя пружинистый механизм - рессора или же винтообразная пружина. За счет способности выгибаться или же сжиматься эти составляющие принимают вертикальное перемещение колеса, которое оно получает от дорожного покрытия, предотвращая совершенную передачу перемещения на кузов или же раму автомашины. В систему подвески интегрированы амортизаторы. Амортизатор - это неотъемлемый узел подвески всякого транспорта. Без этого узла, по сущности, невыполнима управляемая езда. Предназначение амортизаторов -- это понижение шатания пружин, которые появляются при перемещении, собственно, что делает движение автомашины мягким и удобным.

Внешне амортизаторы довольно идентичны и предполагают собой цилиндрический продолговатый непроницаемый корпус, из которого выходит шток, перемещающийся внутри. В случае если в амортизаторе будет жидкость с качествами неньютоновской, то при плавном передвижении автомашины шток также станет плавно передвигаться и езда будет комфортной. При резком повышении скорости случится нагрузка на все механизмы и неньютоновская жидкость поведет себя как твердое тело подвеска будет вести себя довольно агрессивно, езда будет не комфортной, и водитель будет вынуждает вернуться к более плавному скоростному режиму.

Еще качества неньютоновской жидкости возможно применить при разработке спортивной одежды, в числе и для детей, которые катаются на велосипедах, роликах, скейтах и элементарно носятся во дворах. Эта одежка защитит детей не только от травм при падении, но и станет содействовать для добавочной обороны при конфликте ребенка с автомашиной.

Выводы

В итоге изучения и исследования получено представление о ряде свойств неньютоновских жидкостей . Они отличны от нормальных ньютоновских жидкостей зависимостью вязкости от скорости деструкции: у ньютоновских жидкостей она прямо пропорциональная, а у неньютоновских более сложная, степенная, из всего этого и вытекают все различия в их свойствах.

Получено представление о степени распространённости неньютоновских жидкостей: как оказалось, эти жидкости встречаются повсеместно и области их использования достаточно широки. Эти жидкости являются увлекательными веществами, которые могут быть использованы, чтобы помочь нам понять физику более подробно, в захватывающей, практичной форме.

Гипотеза исследования подтвердилась: при определенных условиях жидкости меняют собственные качества. Неньютоновская жидкость является жидкостью, которая не соответствует закону вязкости Ньютона. Вязкость (мера способности жидкости противостоять деформации) неньютоновских жидкостей зависит от скорости и силы. И это свойство обязательно должно быть применено для совершенствования дорожной обстановки.

Основная цель работы достигнута: теоретическим и экспериментальным способами, изучены особенности и ряд качеств неньютоновских жидкостей, и перспективы их применения для совершенствования дорожной обстановки.

В процессе проведения исследования решены поставленные задачи:

1. В различных источниках мною изучены основные тонкости неньютоновских жидкостей.

2. В работе описан ряд качеств неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских, дана их классификация.

3. Выяснено, что неньютоновские жидкости встречаются нами постоянно в быту, в природе и решительно не являются редчайшими и экзотическими. Для собственного приготовления неньютоновской жидкости абсолютно подходит обычная вода и крахмал.

4. Проведено анкетирование подростков, студентов и взрослых, которое вскрыло не большую информированность респондентов о неньютоновских жидкостях.

5. В ходе работы проведено экспериментальное изучение ряда качеств неньютоновских жидкостей.

Размещено на Allbest.ru