Государственное бюджетное образовательное учреждение

Пермского края

«Школа-интернат для детей с нарушением зрения»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ

«НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ»

                                                                   Выполнил: ученик 9 класса  

Мельников Алексей

Руководитель: М.А. Гостева  учитель физики

Пермь, 2017г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................................................... 3

Глава 1. Неньютоновская жидкость и её свойства .............................................. 5

Глава 2. Опыты с неньютоновскими жидкостями ............................................. 19

Глава 3. Применение неньютоновских жидкостей ............................................ 27

Заключение ............................................................................................................ 30 Список использованных источников .................................................................. 31

ВВЕДЕНИЕ

Жидкость окружает нас всегда и везде. Часто, говоря о жидкости, мы подразумеваем воду. Ни одно живое существо не может обходиться без неё. Примером важности воды может служить сам человек. В младенческом возрасте вода составляет 80% массы тела. По мере роста и развития организма, доля воды снижается. У взрослого она не более 60%. Вода даёт нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально.

В толковом словаре С.И. Ожегова жидкость – это вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в который оно выливается. Данное определение не совсем корректно: форма воды – это шар, именно так выглядит вода в условиях невесомости. За счёт сил гравитации её форма искажается.

На уроках физики я столкнулся с тем, что учитель упоминал о жидкостях, которые при определённых условиях могут обладать свойствами твёрдого тела, например, сохранять форму, быть несжимаемой, прочной. Такие жидкости неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры их называют неньютоновскими жидкостями. Меня заинтересовала данная тема, и я попытался узнать о ней больше информации, проверив сказанное учителем эмпирическим путём.

Цель работы: изучение некоторых физических свойств неньютоновских жидкостей в теории и на практике.  

Задачи для достижения поставленной цели:

•              Изучить свойства неньютоновской жидкости. 

•              Получить неньютоновскую жидкость и проверить её свойства экспериментальным путём, например, можно ли ходить по неньютоновской жидкости. 

•              Исследовать современные области применения неньютоновских жидкостей.

В работе были применены следующие методы исследования:

•              Наблюдение.

•              Изучение теоретических материалов.

•              Проведение эксперимента.

•              Анализ полученных результатов.

ГЛАВА 1. НЕНЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ И ЕЁ СВОЙСТВА 

В природе вещества встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.  

Жидкое состояние обычно считают промежуточным состоянием между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкость обладает способностью неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём.  

Частицы в жидкостях находятся очень близко друг к другу, но притяжение между ними гораздо слабее, чем в твёрдых телах, они скачками могут менять своё положение. Таким образом, текучесть жидкости обусловлена подвижностью составляющих её молекул. 

В обычных условиях только маленькие капельки жидкости имеют свою форму – форму шара, поэтому на поверхности жидкость испытывает натяжение, так называемое поверхностное натяжение.

Прочность жидкостей в реальных условиях обычно во много раз меньше прочности твёрдых тел. Пределом прочности жидкости называется минимальное давление, при котором жидкость разрывается и над её поверхностью происходит парообразование.

Таким образом, жидкость характеризуется следующими свойствами:  

1)                сохраняет объём;  

2)                образует поверхность;  

3)                обладает прочностью на разрыв;  

4)                принимает форму сосуда;  5) обладает текучестью.  

К жидкостям относятся: вода, нефть и нефтепродукты, растворы, кислоты и др.

Они отличаются друг от друга вязкостью. Вязкость - свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению её частиц при движении. Свойство обусловлено возникновением в движущейся жидкости сил внутреннего трения, которые проявляются только при её движении благодаря наличию сил сцепления между молекулами.

Различают идеальные и реальные жидкости. Идеальная (невязкая) жидкость является упрощённой моделью реальной (вязкой) жидкости. По предположению, идеальная жидкость имеет все свойства реальной, кроме вязкости.

Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

Таблица 1 – Виды жидкости

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 своё агрегатное состояние (за исключением испарения или замораживания).

Другое дело - это неньютоновские жидкости. Их особенность заключена в том, что их текучие свойства колеблются в зависимости от скорости её тока. 

Таблица 2 – Состав реальных жидкостей

Различные свойства жидкостей обусловлены их составом. В конце XVII века английский физик И. Ньютон обратил внимание, что грести вёслами быстро гораздо тяжелее по сравнению с медленными гребками. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё.

При изучении движения планет Солнечной системы посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце в воде, и моделировании данного процесса перед И. Ньютоном возникла необходимость изучения течения жидкостей. В своих наблюдениях учёный 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 в дальнейшем широкое распространение. Исторически, эти работы И. Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии. Реология - наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях.

И. Ньютон обнаружил, что когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Градиент скорости - количественная величина, характеризующая различие в скорости движения слоёв жидкости (скорость сдвига). 

Рисунок 1 -  Градиент скорости движения слоёв жидкости  

На рис. 1 представлен случай, когда для самого верхнего слоя жидкости помеха его движению минимальна, а для нижнего – максимальна. Таким образом, скорость движущихся слоёв вязкой жидкости изменяется от слоя к слою в направлении оси Оx, перпендикулярной направлению течения жидкости. Для частного случая, показанного на рисунке, изменение скорости слоёв происходит по линейному закону.  

Жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона, называют неньютоновскими или аномальными. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.  

Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. Неньютоновскую жидкость часто называют вязкопластичной жидкостью.

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей. Эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причём не только механическим воздействием, но и звуковыми волнами и электромагнитными полями. Чем сильнее механически воздействовать на обычную жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму.  

В неньютоновской жидкости при механических усилиях жидкость начнёт принимать свойства твёрдых тел и вести себя как твёрдое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на неё. В результате мы испытываем затруднение при сдвиге слоёв жидкости. Можно сделать вывод, что вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости. 

Рисунок 2 – Модель внутреннего строения неньютоновской жидкости 

Рассмотрим данное положение на примере крахмала. Частицы крахмала набухают в воде и образуются контакты в виде хаотически сплетённых 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 рвётся и молекулы расходятся.

Подводя итог выше сказанному приведём таблицу 3.

Таблица 3 - Сравнение свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей

Таким образом, главными отличительными свойствами неньютоновской жидкости от ньютоновской являются: вязкость, смачивание, смешиваемость, однородность состава. Данные свойства определяют поведение неньютоновской жидкости в зависимости от воздействия на неё.

Неньютоновские жидкости имеют природный характер. С ними можно столкнуться во время путешествия по пустыне или болотистой местности.

                1.       Трясина

Трясина - зыбкое, топкое болотистое место, в котором под покровом мхов, травы и торфа имеется слой воды или жидкого ила.

Болото может возникнуть по двум причинам: зарастание водоёма или заболачивание суши. Болото характеризуется избыточной влажностью, постоянным отложением не до конца разложившегося органического вещества, которое называется торф. Способностью засасывания объектов обладают не все болота, а те, в которых образовалась трясина. Трясинное болото образуется, как правило, на месте озера. На поверхности водоёма разрастаются кувшинки, лилии и тростник, на дне озера - водоросли. По мере формирования донный покров отрывается и поднимается к поверхности. Из-за отсутствия кислорода начинается гниение, образуются органические отходы, которые расходятся в воде, образуя трясину. Трясина относится к классу бингамовских жидкостей, которые физически описываются уравнением Бингама-Шведова.

Представим себе куб, сделанный из какого-либо твёрдого тела. Приложим к его верхней грани сдвигающую силу F. Отношение этой силы к величине площади верхней грани S называется сдвиговым напряжением (Н/м²).

Рисунок 3 – Куб из твёрдого тела

Тогда, напряжение сдвига:

T = F/S                                                      (1)

Градиент сдвиговой скорости:

g = dv/dx                                                   (2)

Шведов и Бингам установили связь между сдвиговой скоростью и напряжением сдвига. Они вывели уравнение, которое носит их имя: t = t_o + Mg                                                 (3),

где to - предел текучести, т.е. минимальное напряжение, при котором

жидкость начинает течь. По аналогии с твёрдым телом, to - это такое сдвиговое напряжение, при котором тело перестаёт восстанавливать свою форму после снятия деформирующей нагрузки.

M - структурная вязкость. Она более полно отображает вязкость жидкостей. Например, при движении крови по сосудам, вязкость зависит не только от форменных элементов, но и от эластичности стенок сосуда.

При увеличении скорости движения жидкости структурная вязкость стремится к определённому пределу, который называется кажущейся вязкостью.

Графически изобразить уравнения Шведова – Бингама можно следующим графиком:

Рисунок 4 - Уравнение Шведова – Бингама

Следует отметить, что для ньютоновских жидкостей to равно нулю. Это значит, что в ньютоновских жидкостях сила трения покоя отсутствует полностью. Это можно обнаружить на таком примере. Предположим, что на поверхности абсолютно спокойной воды плавает какой-либо тяжёлый предмет (бревно). А вода является ньютоновской жидкостью, следовательно, плавающее тело можно привести в движение незначительной силой. Тоже бревно, лежащее на берегу, с места сдвинуть очень трудно, так как сила трения покоя при движении по поверхности твёрдого тела имеет весомую величину. Отсутствие в таких жидкостях силы трения покоя используется в точных навигационных приборах: компасах, гироскопах и пр. Следует добавить, что если ньютоновскую жидкость вылить на блюдце, то её поверхность сразу приобретает форму горизонтальной плоскости. У неньютоновской жидкости будет другая форма. Если взять яичный желток (пример неньютоновской жидкости) и вылить на блюдце, то его поверхность будет иметь форму небольшой горки, так как сила тяжести не в состоянии преодолеть до конца предел текучести жидкости.

Для очистки жидкостей от механических примесей используют фильтр из специальной пористой бумаги или ваты. Если приходится фильтровать воду, то необходимо ждать некоторое время для фильтрации. Если взять вместо воды спирт или бензин, то они через тот же фильтр будут профильтровываться быстрее. Потому что, чем меньше вязкость жидкости – тем быстрее она фильтруется. Надо сказать, что поддаются фильтрации все ньютоновские жидкости, даже такие, у которых высокая вязкость. Например, растительное масло будет тоже фильтроваться, но процесс фильтрации будет проходить медленно. Если попытаться фильтровать неньютоновскую жидкость, например, яичный белок сырого яйца, фильтрации не получится, так как предел текучести яичного белка - большой. Не будут фильтроваться также и кисломолочные продукты.  

Отличительная особенность бингамовских жидкостей состоит в том, что под воздействием небольшого внешнего усилия они ведут себя как твёрдые тела, но если порог сопротивления превышен, то начинают проявлять свойства вязкой жидкости. К бингамовским жидкостям относятся масляные краски, некоторые смолы, лаки, суспензии типа глинистых паст и буровых растворов, а также некоторые типы болотных почв.

Таким образом, основное свойство этих жидкостей заключается в том, что при попадании на поверхность объекта, имеющего небольшой вес, они ведут себя как твёрдые тела, т.е. предмет не будет погружаться. А если объект имеет достаточно большой вес, то он тонет. Существует два вида погружения: недопогружение и перепогружение. Поведение тела, попавшего в жидкость, подчиняется соотношением воздействия силы тяжести и выталкивающей силы Архимеда. Тело будет погружаться в трясину до тех пор, пока сила Архимеда не сравняется с его весом. Если выталкивающая сила меньше веса, то произойдёт недопогружение объекта, если больше, то – перепогружение.  

Перепогружению подвергаются только живые объекты (люди, животные, птицы), причина в том, что такие объекты постоянно движутся. При резких движениях человека, попавшего в трясину, под перемещающимися в трясине частями тела будут возникать области пониженного давления, и атмосферное давление будет с большой силой давить на человека вниз, заталкивая его в перепогружённое состояние.  

В случае того, что живой объект прекратит движение, погружение не прекратится, только замедлит его, потому что живое тело двигается всегда - дышит. Потребность в дыхании приводит к необходимости изменять форму тела (при вдохе грудная клетка расширяется), поэтому состояние полной неподвижности оказывается невозможным.

Предотвратить живому объекту засасывание можно только дотянувшись до какой-нибудь твёрдой опоры: куста, дерева, твёрдой кочки, крепкого травяного покрова.  

Неживые же объекты остаются неподвижными, поэтому полностью не погружаются в трясину.

                2.       Зыбучие пески

Зыбучий песок — пески, перенасыщенные воздухом (газом или горячими парами, в пустыне), влагой восходящих источников и способные вследствие этого засасывать вглубь попадающие на них предметы и животных; разнообразны по своей природе, но всегда лишены мелкозёмистой примеси. Благодаря испарению или тонкой плёнке воды, обволакивающей песчинки, сцепление между ними мало.

Зыбучий песок – это самый обычный песок, под толщей которого на глубине нескольких метров имеется достаточно сильный источник воды. Глубина зыбучих песков может достигать нескольких метров, а может составлять несколько сантиметров. С точки зрения физики существование зыбучих песков объясняется так: песчинки обволакиваются водой, и вокруг них образуется плёнка. Учитывая, что между песчинками есть воздух, который с увеличением количества воды вытесняется, образуя смесь песка с водой, свойства данной смеси будут существенно отличаться от смеси песка, воды и воздуха. 

Существует два вида зыбучих песков.

•              С мокрой поверхностью. Встречаются на берегах озёр, рек, морей, где часто попадаются восходящие источники. Сверху может находиться тонкая корочка ила, образованная из мелкой фракции песка.  

•              С сухой поверхностью. Встречаются в пустынях и в скалистых местностях.  

И в том и в другом случае, причиной образования зыбучих песков является большой источник воды, который находится на глубине нескольких метров, а иногда и нескольких десятков метров. Эти источники и провоцируют осыпание песка. В большинстве случаев они с большой силой пытаются вырваться наружу, поднимаясь как можно ближе к поверхности и обволакивая водой отдельные песчинки. В данном случае вода движется в наклонном горизонтальном направлении, либо практически в вертикальном. 

Рисунок 5 – Образование зыбучих песков 

Таким образом, образуется пропитанная водой рыхлая песчаная масса, которая до некоторых пор сохраняет равновесие. При попадании в неё любого объекта структура обрушивается, и физические силы пытаются вернуть назад вытесненный песок. Происходит «засасывание». 

Определить место нахождения такого песка невозможно. На зыбучих песках с мокрой поверхностью может расти трава, цветы. Если живой объект попадёт в зыбучий песок - выбраться будет сложно. Это связано с тем, что зыбучий песок - вязкий, любые резкие движения вызывают ещё большее противодействие, несмотря на то, что плотность зыбучих песков всего лишь в полтора раза больше (ρ = 1500-1600 кг/м³), чем плотность воды (ρ = 1000 кг/м³). Выбраться из стихии можно только если перемещаться очень плавно, а ещё лучше постараться лечь на спину, высвободив ноги, и таким образом, как бы плыть по песку. В данном положении можно сохранять баланс определённое время и дождаться прибытия спасателей.  

В сухом песке живой объект может выбраться самостоятельно, поскольку при медленном движении на свободное место сначала поступает воздух, а затем нишу заполняют песчинки. В зыбучем песке такого воздуха нет, а суспензия по своей консистенции сравнима с желе, и медленно движущаяся масса не успевает заполнять возникающую полость, образуя вакуум.

В некоторых случаях зыбучие пески могут образовываться по причине статических зарядов, возникающих при взаимном трении песчинок. Поскольку все песчинки заряжаются одноимённо, сцепление ослабевает, и поверхность становится неустойчивой.  

В процессе изучения неньютоновских жидкостей человеком были предприняты попытки воссоздания такой жидкости, с целью изучения её свойств. Так появились:  

•              Материал D3O. Специфический материал D3O используется в изготовлении защиты мотоциклетной экипировки. Он представляет из себя оранжевую мягкую субстанцию, которая легко деформируется в руках, но очень прочная, если на неё воздействует кратковременная сила большой величины (например, удар молотком). Главное достоинство эластичного полимера D3O похожего на жвачку заключается в том, что он сохраняет свою гибкость ровно до тех пор, пока к нему не будет применено агрессивное физическое воздействие.

•              «Жидкая» сумка. Для защиты авиапассажиров, международная команда учёных разработала специальную сумку-чехол, которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость может служить «упаковкой» для потенциально взрывоопасных грузов. Изобретение международной группы учёных представляет собой чехол, содержащий неньютоновскую жидкость. Преимуществом новинки являются вес и удобство.

•              «Жидкий» бронежилет. Новый тип бронежилета создали специалисты из британской компании BAE Systems. Они предложили использовать особую жидкую субстанцию, которая будет заполнять пространство между слоями кевлара. Жидкость будет гасить удар, распределяя импульс по всему бронежилету. Кевлар - лёгкий и мягкий материал, который в огне не горит и даже почти не тлеет, влагу прекрасно впитывает, позволяя кожным покровам «дышать», а при этом по своей прочности превосходит сталь в разы, выдерживая нагрузку на разрыв в пределах 2500 Н.  

•              Мешки-заплатки для ремонта дорожных ям. Учёные США предлагают латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью. Грязь с водой и крахмалом ведёт себя как неньютоновская жидкость.

•              Подобную идею высказала французская компания в рамках конкурса юных инженеров. Неньютоновская жидкость – замечательный материал для дорожных выбоин: в отсутствие внешнего давления, она растекается, заполняя яму и образуя гладкую верхнюю поверхность. Но как только на неё накатывается колесо автомобиля, она превращается в твёрдую, как асфальт, субстанцию. Авторы идеи полагают, что она послужит замечательным средством для дорожных служб, которые смогут временно «залатывать» выбоины в холодное время года, с тем, чтобы при наступлении тёплой сухой погоды отремонтировать дорогу по-настоящему.

•              Умный пластилин или Handgum (Хендгам), что в переводе означает «Жвачка для рук». Сегодня умный пластилин является одной из самых популярных игрушек не только для детей, но и для взрослых. Он твёрдый и жидкий, одновременно. В длительных промежутках времени Handgum ведёт себя подобно жидкости, он медленно стекает, капает и старается растечься в лужу. К примеру, если сделать шарик и положить на стол, то уже через пару минут этот шарик станет лужицей. При более быстром воздействии Handgum поведёт себя как твёрдое тело — шарик, кинутый об пол, подпрыгнет. Этот пластилин возможно разорвать резким движением или даже забить им гвоздь. Handgum на ощупь напоминает жевательную резинку, но не липнет к рукам и другим вещам.

ГЛАВА 2. ОПЫТЫ С НЕНЬЮТОНОВСКИМИ ЖИДКОСТЯМИ 

Неньютоновская жидкость, это такая жидкость, вязкость которой зависит от изменения скорости. Все мы знаем, что мёд - густая жидкость, вязкая - он течёт очень медленно и медленно заполняет сосуд, в который его перелили. Молоко - жидкость с малой вязкостью. Она тут же принимает ту форму, которую имеет сосуд и мгновенно растекается по нему. Неньютоновские жидкости могут быть и вязкими, и тут же совершенно жидкими. Всё зависит от того, что с ними делают. Пример такой жидкости - модные сейчас хэндгам (жвачка для рук) и лизун. Есть ещё один вариант неньютоновской жидкости, которая называется «ооблек» (oobleck).  Такую жидкость легко можно сделать самим. Рецепт её прост: понадобится крахмал (картофельный или кукурузный) и вода.

Для проведения исследования неньютоновской жидкости нам потребуется: крахмал, тетробарат натрия, различные красители, клей ПВА, фигурка, масло растительное, тонер для принтера.

Рисунок 6 – Подготовка к экспериментам

Эксперимент №1 «Получение неньютоновской жидкости и её свойства»

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

Оборудование: вода, крахмал, различные ёмкости.

Ход эксперимента: изготовление неньютоновской жидкости. Рецепт: 2 части крахмала, 1 часть воды. Всё перемешать руками. 

Результат: при быстром перемешивании ингредиентов ощущается сопротивление, которое исчезает при медленном помешивании.

Рисунок 7 – Неньютоновская жидкость

Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать придать ей форму, чем быстрее и сильнее воздействие на жидкость, тем фигура становится твёрже. Если усилие ослабить фигура тут же растечётся по руке. 

Рисунок 8 – Различие в поведении неньютоновской жидкости с нагрузкой и без нагрузки 

Жидкость можно переливать, если медленно наклонять миску, она течёт как сметана. Если её резко наклонить, она совсем не течёт.  

Рисунок 9 – Различие в поведении неньютоновской жидкости при медленном переливании и резком перевороте

Неньютоновская жидкость не разбрызгивается при попадании предмета, летящего вниз.

Рисунок 10 – Шарик в момент касания и погружения, брызг – нет  

Рисунок 11 – В жидкости вязнут игрушки

 Опыт по вязкости игрушек – является наглядной моделью погружения предмета в трясину или зыбучий песок, а также показывает насколько трудно из него выбраться.

Эксперимент №2 «Изучение влияния магнитных полей на неньютоновскую жидкость»

Эксперименты с ферромагнитной жидкостью широко распространены в виде видеороликов в интернете. Дело в том, что данный вид жидкости под действием магнита совершает определённые движения, что делает эксперименты очень зрелищными.  

Рисунок 12 – Поведение ферромагнитной жидкости 

Цель: получить ферромагнитную жидкость и проверить, как она ведёт себя в поле постоянного магнита.

Оборудование: масло подсолнечное, тонер для лазерного принтера (порошок), ёмкость для смешивания.

Ход эксперимента: смешаем ингредиенты до консистенции сметаны. Для усиления эффекта прогреем смесь (около 30 минут), используя калориметр.

Результат: ферромагнитная жидкость (феррофлюид) сильно поляризуется под воздействием магнитного поля. При приближении магнита, она производит определённые движения, например, становится похожей на ёжика, встает горбом и т.д.

Рисунок 13 – Ферромагнитная жидкость в поле постоянного магнита

Эксперимент №3 «Изготовление игрушки-лизуна»

Игрушка-лизун или слайм (slime) была произведена компанией Mattel в 1976 году. Игрушка-лизун заслужила популярность благодаря своим забавным свойствам – одновременно текучести, эластичности и возможности постоянно трансформироваться. Обладающий свойствами неньютоновской жидкости, игрушка-лизун быстро стала популярной у детей и взрослых. Лизуна можно было купить не везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях.

Цель: изготовить игрушку-лизун в домашних условиях.

Оборудование: Клей ПВА – 100 гр, вода - немного больше стакана, тетраборат натрия (боракс или бура) в форме 4%-ого раствора, раствор бриллиантовой зелени – зелёнка, различные ёмкости (мерный стакан, полиэтиленовый пакет).

Рисунок 14 – Материалы для создания игрушки-лизуна

Ход эксперимента. Изготовление игрушки: 0,25 стакана воды и 0,25 стакана клея превращаем в однородную смесь, добавляем краситель. Затем добавляем тетраборат натрия, смешиваем до получения желеобразной однородной массы.

Результат: загустевшая субстанция является игрушкой-лизуном. Её можно выложить на стол, помять и проверить все её оригинальные свойства. 

Рисунок 15 – Этапы создания игрушки

Эксперимент №4 «Пакет с яйцом»

Цель: продемонстрировать различие ньютоновской и неньютоновской жидкости.  

Оборудование: полиэтиленовый пакет, вода, неньютоновская жидкость, 2 сырых яйца.  

Ход эксперимента: наполняем пакет водой, опускаем в него яйцо и крепко завязываем, бросаем его с высоты 1 метра. Повторяем эксперимент для неньютоновской жидкости.  

Результат: в воде яйцо разбилось, а при ударе неньютоновской жидкости о пол яйцо оказалось целым. 

Объяснение: при ударе неньютоновской жидкости о пол, один её слой становится твёрдым, следующий становится плотным, а чем дальше от пола, тем более жидкий. Яйцо благодаря распределению плотности погасило скорость падения и не разбилось.

Эксперимент №5 «Намазывание хлеба маслом»  Цель: наблюдение за маслом при изготовлении бутерброда.

Оборудование: хлеб, нож, масло.

Ход эксперимента: Намазываем маргарин на хлеб. Наблюдаем.

Результат: Масло под действием ножа размазывается, его вязкость уменьшается при увеличении нагрузки. Масло – пример неньютоновской жидкости.

Объяснение. Фундаментального объяснения того, почему вязкость жидкости уменьшается при деформации сдвига, пока не существует. В основном причиной этого считают изменение молекулярной конфигурации жидкости под действием сдвига. Например, длинные молекулы могут ориентироваться вдоль линий потока, создаваемого при сдвиге. В результате вязкость уменьшается. Когда сдвигающее усилие снимается, молекулы восстанавливают свою прежнюю ориентацию, и вязкость увеличивается.

Вывод. Для сравнения физических свойств ньютоновской и неньютоновской жидкости были получены следующие варианты неньютоновской жидкости: раствор крахмала, попрыгун, ферромагнитная жидкость. В результате проведённых опытов и наблюдений было выявлено, что полученные жидкости имеют разный вид и отличаются друг от друга вязкостью и плотностью. Но, в то же время они обладают общими свойствами.  

При воздействии на них механическими усилиями, жидкость начинает принимать свойства твёрдых тел и вести себя как твёрдое тело, связь между молекулами жидкости усиливается с увеличением на неё силы воздействия, что приводит к физическим затруднениям сдвинуть слои жидкости.

Затвердевание раствора связано не с ростом вязкости при сдвиге, а с компрессией (сжатием) частиц крахмала. Под местом удара образуется плотная зона, которая останавливает физическое тело. То есть человек может спокойно бегать по воде. Главное, не останавливаться, т.к. зона компрессии очень быстро исчезает, и, остановившись, тело неминуемо погружается в раствор.

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ 

В мире данные жидкости популярны. При исследовании неньютоновских жидкостей в первую очередь изучают их вязкость, знания о вязкости и о том, как её измерять и поддерживать. Неньютоновские жидкости помогают в медицине, в технике, в кулинарии, в производстве косметики.

1.     Применение в косметологии

При пользовании косметическими средствами покупателям важно, чтобы косметика держалась на коже. Для этого косметические фирмы делают её жидкой в упаковке и твёрдой после нанесения на кожу. Примерами могут быть: жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, лак для ногтей и др. 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. 

В гелях для душа вязкость регулируют для того, чтобы они оставались на теле достаточно долго и выполняли своё функциональное свойство – очищать кожу. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости. Наибольшая вязкость - у мазей. Вязкость кремов - ниже, а лосьоны - 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 и приходится наносить повторно, так как они впитываются кожей. Кремы дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее её увлажняют. Их необходимо использовать зимой, когда в воздухе меньше влаги. Мази намного дольше впитываются. Поэтому их часто используют в медицине.

Для удовлетворения потребностей покупателей производители косметики часто выпускают продукт для одних и тех же целей, но с разной вязкостью. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам. 

2.     Применение в медицине

В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует проблемам 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.

3.     Применение в технике

Неньютоновские жидкости используются в автопроме, 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.

4.     Применение в кулинарии 

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

Продукты с большой вязкостью, например, соусы, удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, например, хлеб. Их также используют с целью удерживать слои продуктов на месте. В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин или майонез — тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы. Самые известные примеры таких салатов — селёдка под шубой и оливье.  

Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд. Например, йогурт или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Выяснено, что неньютоновские жидкости окружают нас повсюду, они вовсе не являются редкими и экзотичными.

Получен ответ на проблемный вопрос, который ставился перед началом выполнения исследования: человек может ходить по поверхности неньютоновских жидкостей, в частности по поверхности водного раствора крахмала.

В ходе работы проведено экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей.

Основываясь на свойствах неньютоновской жидкости, я хочу предложить несколько способов её использования.  

1. Изготовление контейнеров для транспортировки и хранения легко бьющихся стеклянных предметов (стекло, посуда, ёлочные игрушки и др.)  2. Использование неньютоновской жидкости при изготовлении защитных средств (наколенники, налокотники, шлемы и др.) для

спортсменов, а также их применение при обучении маленьких детей ходьбе.  

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

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Литература

1. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд./ Под ред. Маркушевич А.И., М.: Педагогика,

2010 г.                         

2.       Перышкин А.В. Физика 7 класс, М.: Дрофа, 2015 г.

3.       Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости, М.: Мир, 1964 г.

4.       Уокер Дж. Физический фейерверк: - 2-е изд. / Под ред. Слободецкого И.Ш., М.: Мир, 1998 г.   

Интернет-ресурсы

5.       Неньютоновская жидкость [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=I-SLLQK6tI0 (Дата обращения

02.02.2017) 6.       Неньютоновские жидкости [Электронный ресурс]/ Режим досту-

па: http://ru.wikipedia.org (Дата обращения 25.01.2017)

7.                 Проблему российских дорог, кажется, могут решить американцы с помощью неньютоновской жидкости [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/problemu-rossiskikh-dorogkazhetsya-mogut-reshit-amerikantsy-s-pomoshchyu-nenyutonovsk (Дата обращения 30.01.2017)

8.                 Эксперименты с неньютоновской жидкостью [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.youtube.com/watch?v=sbCW2RydyLU (Дата обращения 02.02.2017)