Вступ
- Актуальність
- Проблема
- Ціль
- Об'єкт та предмет дослідження
- Завдання
- Гіпотеза
- Методи дослідження
- Теоретична значимість
- Практична значимість
Проект "Неньютонівська рідина. Властивості та застосування"
Рейтинг: 2
У учнівській роботі з фізики на тему «Неньютонівська рідина. Властивості та застосування» автор дізнається про властивості неньютонівських рідин і про те, де вони застосовуються, дає визначення даного поняття та наводить класифікацію неньютонівських рідин.
Докладніше про роботу:
У рамках дослідницької роботи з фізики про неньютонівську рідину автор розглянув
наявні теоретичні дані про вивчення неньютонівських рідин, розглянув сфери та способи застосування неньютонівських рідин, провів соціологічне опитування учнів та встановив відсоток тих, хто знайомий з визначенням та властивостями неньютонівських рідин.
У ході навчального дослідницького проекту з фізики «Неньютонівська рідина. Властивості та застосування» учень провів експеримент з виготовлення неньютонівської рідини, отримав неньютонівську рідину в домашніх умовах і провів з нею низку дослідів, в результаті яких визначив її властивості. Ці знання допоможуть щодня використовувати неньютонівські рідини з більшою користю.
Зміст
Вступ
1. Неньютонівська рідина.
1.1. Визначення неньютонівської рідини.
1.2 Хто вивчає неньютонівські рідини.
1.3 Класифікація неньютонівських рідин.
1.4 Застосування неньютонівських рідин.
2. Опитування студентів.
2.1 Як зробити неньютонівську рідину в домашніх умовах.
2.2 Досвід №1. Проведення експериментів із суміші крохмалю та води.
2.3 Досвід №2. Ефект Кайє.
Висновок
Список литературы
Вступ
Всіх нас оточують різні речовини: тверді та рідкі. Вони є скрізь – навіть усередині нас. Але є речовини, які поводяться як тверді та рідкі в різних умовах – неньютонівські рідини одні з них. Усі речовини схожі однією ознакою – вони підпорядковані законам фізики.
Актуальність моя робота полягає в тому, що неньютонівські рідини – важлива складова нашого життя, ними ми користуємося щодня і людина повинна знати їхні властивості, щоб використовувати їх з максимальною користю.
Мета роботи: дізнатися про властивості неньютонівських рідин та про те, де вони застосовуються.
- Вивчити літературу та дізнатися про властивості та застосування неньютонівської рідини;
- Отримати неньютонівську рідину в домашніх умовах і провести з нею низку експериментів, щоб дізнатися про її властивості;
- Проаналізувати результати експерименту та зробити висновки.
Предмет дослідження: неньютонівська рідина.
Об'єкт дослідження: рідини.
Методи дослідження: теоретичний та експериментальний.
Гіпотеза: неньютонівська рідина може мати властивості як твердого тіла, так і рідкого залежно від сили, що прикладається.
Визначення неньютонівської рідини
Неньютонівська рідина - Рідина, при перебігу якої її в'язкість залежить від градієнта швидкості. Зазвичай такі рідини дуже неоднорідні і складаються з великих молекул, що утворюють складні просторові структури.
Найпростішим наочним побутовим прикладом є суміш крохмалю з невеликою кількістю води. Чим швидше відбувається зовнішнє вплив на зважені в рідини молекули сполучної речовини, тим вище в'язкість рідини.
Кетчуп, наприклад, стає рідкішим при струшуванні і, таким чином, є неньютонівською рідиною. Багато сольових розчинів і розплавлених полімерів є неньютонівськими рідинами, як і багато речовин, що зазвичай зустрічаються, такі як заварний крем, мед, зубна паста, суспензії крохмалю, кукурудзяний крохмаль, фарби, кров, топлене масло і шампунь.
У природі існують чотири форми речовини: тверда, рідка, газоподібна і плазма. Рідина – це середній стан між твердим та газоподібним. Рідина, на відміну від твердої речовини, не має своєї певної форми, а набуває форми судини, в якій вона знаходиться. На відміну від газу, має певний обсяг, через те, що в рідині молекули пов'язані не так міцно, тому зв'язки постійно змінюються. Але є рідини з особливими властивостями, їх називають неньютонівськими.
Різницю звичайної та неньютонівської рідини можна побачити в таблиці 1.
Таблиця 1. Різниця звичайної та неньютонівської рідини
| Звичайна рідина |
Неньютонівська рідина |
| Основна властивість: плинність |
Плинність залежить від сили та швидкості впливу, тобто. плинність за певних умов може бути відсутнім |
| В'язкість залежить від природи |
В'язкість залежить від швидкості впливу |
| При застосуванні механічних зусиль залишаються в рідкому стані |
При застосуванні різких швидких механічних зусиль приймають властивості твердих тіл |
| При повільному впливі поводиться як звичайна рідина |
Хто вивчає неньютонівські рідини
Властивості неньютонівських рідин вивчає наука реологія (від грец. Rheos - течія, потік і logos - слово, вчення), наука, що вивчає деформаційні властивості реальних тіл, наука про деформації та плинність речовини. Реологія розглядає діючі на тіло механічні напруги і деформації, що викликаються ними. Термін "реологія" запровадив американський вчений-хімік Юджін Бінгам.
Офіційно термін "реологія" прийнято на 3-му симпозіумі за пластичністю (1929, США), проте окремі положення реології були встановлені задовго до цього. Реологія тісно переплітається з гідромеханікою, теоріями пружності, пластичності та повзучості. В основу реології лягли закони Ісаака Ньютона про опір руху в'язкої рідини, рівняння Навье - Стокса для руху в'язкої рідини, що стискається, роботи Дж. Максвелла, У. Томсона та ін. Значний внесок зроблено російськими вченими: Д. І. Менделєєвим, Н. П. Петровим, Ф. н. Шведовим та радянськими вченими П. А. Ребіндер, М. П. Воларович, Г. Ст. Виноградовим та ін.
З проблемами реології доводиться зустрічатися в техніці при розробці технології різноманітних виробничих процесів, при проектних роботах і конструкторських розрахунках, що відносяться до різних матеріалів: металів (особливо при високих температурах), композиційних матеріалів, полімерних систем (розплавів, розчинів, композиційних матеріалів, гуми) , нафтопродуктів, глини та інших ґрунтів, гірських пород, будівельних матеріалів (бетонам, бітумам, силікатам та ін.), дисперсним системам (пінам, емульсіям, суспензіям, порошкам, пастам) харчовим продуктам тощо.
Підрозділ реології – біореологія вивчає механічні властивості біологічних рідин (крові, синовіальної, плевральної рідин) та деформаційні властивості м'язів, судин у людини та тварин. Тому з практичної точки зору дослідження в цій галузі актуальні та абсолютно необхідні. З суто наукової точки зору вивчення неньютонівських рідин також дуже цікаве і актуальне, оскільки навіть у простих течіях вони можуть виявляти поведінку, яка якісно відрізняється від поведінки звичайної ньютонівської рідини.
Класифікація неньютонівських рідин
- 1 - нелінійно-в'язкопластична,
- 2 - в'язкопластична,
- 3 – псевдопластична,
- 4 – ньютонівська,
- 5 – дилатантна
Неньютонівські рідини поділяють на три основні групи:
- неньютонівські в'язкі рідини
- неньютонівські нереостабільні рідини
- неньютонівські в'язкопружні рідини.
До першої групи відносяться в'язкі (або стаціонарні) неньютонівські рідини, характеристики яких не залежать від часу. По виду кривих течії розрізняють такі рідини цієї групи: бінгамівські (або в'язкопластичні), псевдопластичні та дилатантні. Бінгамівські або в'язкопластичні (крива 2) рідини починають текти тільки після застосування напруги, що перевищує межу плинності. При цьому структура пластичної рідини руйнується, і вона поводиться як ньютонівська. До бінгамівських рідин належать густі суспензії.
(різні пасти та шлами, масляні фарби тощо). Псевдопластичні рідини (крива 3) набули найбільшого поширення в аналізованій групі неньютонівських рідин. До них відносяться розчини полімерів, целюлози та суспензії з асиметричною структурою частинок тощо.Псевдопластичні рідини, як і ньютонівські, починають текти при найменших значеннях τ (напруги тертя).
Дилатантні рідини (крива 5) містять рідку фазу у кількості, що дозволяє заповнити у стані спокою або при дуже повільному перебігу порожнечі між частинками твердої фази. При збільшенні швидкості частинки твердої фази переміщуються один щодо одного швидше, сили тертя між частинками зростають, при цьому збільшується в'язкість, що здається.
До дилатантним рідин відносяться суспензії крохмалю, силікату калію, різні клеї та ін. Нелінійно-в'язкопластичні рідини (крива 1) починають рух як тільки напруга зсуву перевищить статичну напругу. Далі, зі збільшенням градієнта швидкості напруга тертя рідини зростає нелінійно до величини, коли він закінчується руйнація структури. Після цього поведінка рідини не відрізняється від Ньютонівського. До цієї групи рідин належить кров.
До другої групи нереостабільних рідин відносять неньютонівські рідини, показники яких залежить від часу. Ці рідини поділяють на тиксотропні (в'язкість яких, що здається, в часі зменшується) і реопектичні (в'язкість, що здається, в часі збільшується). До тиксотропних рідин відносяться багато барвників, деякі харчові продукти (простокваша, кефір, соус кетчуп, желатинові розчини, майонез, гірчиця, мед), мильний крем для гоління і т. д., в'язкість яких знижується при збовтуванні. До реопектичним рідин можна віднести суспензії бентонітових глин і деякі колоїдні розчини.
До третьої групи належать в'язкопружні, або максвелловські рідини.В'язкість цих рідин, що здається, зменшується під впливом напруг, після зняття яких рідини частково відновлюють свою форму. До цього типу рідин відносяться деякі смоли та пасти тістоподібної консистенції.
Застосування неньютонівських рідин
У світі дуже популярні дані рідини. У на основі даних рідин, міністерство оборони розпочало випуск бронежилетів для військових (Рис.2). Дані бронежилети за своїми характеристиками краще звичайних, тому що легше за вагою та простіше у виготовленні. Матеріал, з якого виготовляються бронежилети, називається D3O. Матеріал D3O, розроблений однойменною американською компанією, відноситься до дилатантних неньютонівських рідин. Фактично d3o веде себе як добре охолоджена карамель, тільки ще чутливіший до навантажень.
src="https://obuchonok.ru/files/zhidkost_2.jpg" alt="неньютонівська рідина 2" />
В автомобільній промисловості
Також неньютонівські рідини використовуються в автомобільній промисловості. Моторні масла синтетичного виробництва на основі неньютонівських рідин зменшують свою в'язкість у кілька десятків разів, при підвищенні обертів двигуна, дозволяючи при цьому зменшити тертя.
ДАПОУ "МРТК" філія "Удачнінський" Мирнінський район Республіка Саха (Якутія) у двигуни. Магнітні дрібнодисперсні неньютонівські рідини, ще один представник цього дива природи. Складаються вони з дрібнодисперсних кристалів магнетиту, зважених у синтетичній олії, при дії на таку рідину магнітним полем, рідина збільшує щільність у 100 разів, але все одно залишається гнучкою.
Дані рідини застосовують у новітніх технологіях амортизації деяких елементів транспортного устаткування чи механічних машин.Реологічні дослідження дозволяють вирішувати прикладні гідродинамічні завдання - транспорт неньютонівських рідин трубопроводами, перебіг полімерів, харчових продуктів, будівельних матеріалів у переробному обладнанні, рух бурових розчинів у пластах і т.д.
Перспективне застосування високодисперсних адсорбентів, наприклад, діатомітів, з адсорбованими на їх поверхні речовинами, здатними утворювати з адсорбентами водневі зв'язки (спирти, вищі жирні кислоти, аміни). Суспензії застосовують як робочу рідину гідравлічних систем, у вигляді тонких плівок у гальмівних та ін. пристрої, в т.ч. у коробках передач, генераторах крутильних коливань тощо. п.
У нафтопромисловості
Практичний інтерес становить також використання специфічних реологічних ефектів. Так, малі полімерні добавки до води та нафтопродуктів надають рідини нових реологічних властивостей, завдяки чому різко знижується гідравлічний опір при турбулентному перебігу (ефект Томса).
У косметології
Щоб косметика трималася на шкірі, її роблять в'язкою, чи це рідкий тональний крем, блиск для губ, підводка для очей, туш для вій, лосьйони, або лак для нігтів. В'язкість для кожного виробу підбирається індивідуально, залежно від того, для якої мети воно призначене. Блиск для губ, наприклад, повинен бути досить в'язким, щоб довго залишатися на губах, але не надто в'язким, інакше тим, хто ним користується, неприємно відчуватиме на губах щось липке.
У масовому виробництві косметики використовують спеціальні речовини, які називаються модифікаторами в'язкості. У домашній косметиці для тих же цілей використовують різні олії та віск.У гелях для душу в'язкість регулюють для того, щоб вони залишалися на тілі досить довго, щоб змити бруд, але не довше, ніж потрібно, інакше людина відчує себе знову брудною. Зазвичай в'язкість готового косметичного засобу змінюють штучно, додаючи модифікатори в'язкості.
У кулінарії
Щоб покращити оформлення страв, зробити їжу більш апетитною і щоб її було легше їсти, у кулінарії використовують в'язкі продукти харчування. Продукти з великою в'язкістю, наприклад, соуси, дуже зручно використовувати, щоб змащувати інші продукти, як хліб. Їх також використовують для того, щоб утримувати шари продуктів на місці.
У бутерброді з цією метою використовують олію, маргарин, чи майонез — тоді сир, м'ясо, риба чи овочі не зісковзують із хліба. У салатах, особливо багатошарових, також часто використовують майонез та інші в'язкі соуси, щоб ці салати тримали форму. Найвідоміші приклади таких салатів - оселедець під шубою та олів'є.
Якщо замість майонезу або іншого в'язкого соусу використовувати оливкову олію, то овочі та інші продукти не триматимуть форму. В'язкі продукти з їхньою здатністю утримувати форму використовують також для прикраси страв. Наприклад, йогурт чи майонез на фотографії не лише залишаються у тій формі, яку їм надали, а й підтримують прикраси, які на них поклали.
Опитування студентів
Гіпотезою моєї роботи є те, що неньютонівська рідина може мати твердий та рідкий стан залежно від сили, а не температури як звичайна рідина. Я вирішив це перевірити, провівши ряд дослідів.
Якщо неньютонівська рідина може мати властивості як твердого тіла, це означає, що по цій рідині можна ходити.Я вирішив провести опитування серед студентів та дізнатися, що вони думають про це.
Студентам я поставив такі питання:
- Чи можна ходити водою?
- Чи є рідини, якими можна ходити?
Результат опитування наступний:
За підсумками цього опитування я можу відзначити, що трохи більше половини опитаних не знають про те, що існують рідини, які можуть бути твердими за певних умов. У тому числі й вода – яка є твердою за низької температури.
Як зробити неньютонівську рідину в домашніх умовах
Для того, щоб нам зробити просту неньютонівську рідину, нам знадобиться вода і крохмаль, можна брати картопляний або кукурудзяний.
Пропорція води та крохмалю 1 до 2.
Спочатку заливається вода в тару, в якій буде майбутня рідина, потім туди засипається крохмаль і все це перемішується, за підсумком має вийти в'язка рідина.
Досвід №1. Проведення експериментів із суміші крохмалю та води
Якщо рідина вдарити рукою або молотком, вона виявлятиме властивості твердого тіла. Рідина дуже м'яка і пробити її не можна, оскільки вона зупиняє удар. На малюнку 3 це показано.
З цієї рідини можна ліпити кульки. Поки я застосовую силу до кулі, вона залишається твердою, але якщо я перестану ліпити цю кулю, то рідина розвалиться.
Якщо на рідину покласти якийсь предмет, і він не рухатиметься, то незабаром почне тонути, як у сипких пісках (рис.6). Для того, щоб дістати цей предмет, доведеться діставати його повільно, якщо спробувати зробити це швидко, то на це піде більше сили. Під час вилучення цукерки з рідини, вона потягнеться за нею грудками знизу.
Також варто відзначити, що після проведення дослідів з даною рідиною, її треба злити в пакет і викинути на сміття, зливати її в раковину не можна, щоб не засмічувати трубопровід крохмалем. Рідина втрачає свої властивості через 1 день із моменту її отримання, оскільки вода в ній випаровується.
Досвід №2. Ефект кайє
Для цього експерименту мені знадобився звичайний шампунь, який теж є неньютонівською рідиною. Якщо шампунь маленьким цівком лити на поверхню, яка покрита цим же шампунем, то буде проявлятися цікавий ефект, при якому рідина відскакуватиме сама від себе. Це тому, що у неньютонівських рідин, якою шампунь і є, є дуже цікава властивість змінювати свою в'язкість при наростанні напруги зсуву.
Ефект був відкритий у 1963 році, коли британський інженер Артур Кайє (Arthur Kaye) проводив експерименти із сумішами органічних рідин. В одному з дослідів він помітив незвичайну поведінку струменя рідини, що падає в чашу на горизонтальну поверхню тієї ж рідини. Вчений побачив, що тонкий струмок падаючої рідини вирвався на поверхню, як струмінь фонтану, ніби він відскочив від якоїсь перешкоди всередині рідини, що спочивала.
Висновок
При виконанні даної роботи я дізнався багато нового та цікавого про рідини та дізнався про властивості таких рідин, як неньютонівські.
Гіпотеза про те, що неньютонівські рідини можуть мати властивості як твердого тіла, так і рідкого тіла, залежно від сили впливу підтвердилася.
За результатами дослідів я можу сказати, що неньютонівську рідину можна зробити в домашніх умовах із простих підручних засобів.З нею можна провести багато дослідів, результатом яких буде один висновок: при сильному впливі на рідину відчуватиметься її опір, а при слабкому впливі воно буде мінімальним.
Моєю метою було дізнатися про властивості рідини, про те, де вона застосовується і підтвердити свою гіпотезу.
Поставлені завдання виконані повністю.
Для написання цієї роботи були використані ресурси Інтернету.
Спробуйте повторити це вдома: що таке неньютонівська рідина
Є рідини, які в одних умовах можуть бути рідкими та плинними, а в інших – густими та пружними.
Їх називають неньютонівськими. Пояснюємо, що це таке, як зробити неньютонівську рідину в домашніх умовах та які експерименти з нею можна провести.
Розбираємося, як навчити дитину цінувати гроші та речі, розумно витрачати та накопичувати на великі цілі
Що таке ньютонівська та неньютонівська рідина
Головна відмінність рідини від, наприклад, твердого тіла - те, що вона текуча. У різних рідин різна густота – фізики називають характеристику в'язкістю. Вона показує, наскільки легко тече рідина, коли до неї прикладають зусилля. Наприклад, в'язкість меду вища, ніж води: мед з ложки витікає набагато повільніше.
Більшість рідин в'язкість залежить лише від температури: при нагріванні вона зменшується. Так, нагріте рослинне масло стає більш плинним. А за однієї і тієї ж температури в'язкість постійна. Це явище відкрив знаменитий фізик Ісаак Ньютон, тому такі рідини називають ньютонівськими. До них відносяться, наприклад, вода, олія та мед
Але в деяких рідин в'язкість залежить від того, як швидко до них прикладають силу. Наприклад, перемішують активно чи повільно.І навіть від того, як довго це роблять. Такі рідини називають неньютонівськими.
Поверхня неньютонівської рідини легко витримує вагу людини - але тільки якщо бігти досить швидко
Які бувають неньютонівські рідини і навіщо вони потрібні
У різних типів неньютонівських рідин в'язкість змінюється по-різному. Ось деякі основні типи.
🏃 Псевдопластичні рідини стають більш плинними, якщо впливати на них швидко.
Якщо просто перевернути скляну пляшку з кетчупом, він не витікає. Щоб він почав текти, потрібно швидко струсити пляшку.
Інші приклади псевдопластичних рідин — болото і хиткі піски: іноді ними можна обережно і повільно пройти, але, якщо прискорити крок, легко потонути.
💪 Дилатантні рідини начебто порушують закони фізики: вони легко течуть і поводяться як типова рідина, якщо прикладати силу повільно. Але спробуйте швидко розмішати таку рідину ложкою або вдарити її поверхнею — і вона миттєво загусне.
Властивість дилатантної рідини використовують у повнопривідних автомобілях: коли передні колеса буксують, лопатки перемішують рідину у спеціальній ємності – віскомуфті. Рідина при цьому густіє і починає обертати задні колеса.
Ще приклад — захисне спортивне екіпірування. Матеріал D3O – м'який гелеподібний полімер, який не заважає спортсмену рухатись. Але при швидких ударах — наприклад, коли спортсмен падає — полімер твердіє, перетворюючись на жорсткий панцир і захищає власника від синців та переломів.
Дилатантний неньютонівський гель D3O, з якого роблять захисне спортивне екіпірування, пластичний у руках, але твердне при ударі
💧 Тиксотропні рідини реагують те що, як довго ними впливають.Чим довше розмішувати таку рідину, тим текучою вона буде. Через деякий час після того, як її перестають розмішувати, вона знову густішає.
Приклад тиксотропної рідини – йогурт. А ще такі властивості є у багатьох фарб та будівельних герметиків. Якщо їх добре розмішати, вони стають текучими і наносити їх на поверхню набагато простіше.
💤 Реопексні рідини протилежні тиксотропним: чим довше на них впливають, тим більше вони густіють. Так поводяться збиті вершки, друкарська фарба та деякі мастила.
