Проект по теме:"Негьютоновские жидкости"

Неньютоновская жидкость

Вступление

Данная работа посвящена необычным жидкостям, тем, которые не изучаются в школьных курсах физики и химии, но которые обладают удивительными свойствами и очень интересны для изучения: при малых нагрузках они мягкие, текучие и эластичные, а при больших – становятся твердыми и очень упругими. Эти жидкости называются неньютоновскими.

Исследования неньютоновских жидкостей

Первые работы о свойствах неньютоновских жидкостей появились в 50-х годах прошлого века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, био-гидродинамики, пищевой промышленности. Широкое использование полимерных и нано-порошковых присадок в целом ряде прикладных задач гидродинамики в настоящее время вновь вызвало интерес к неньютоновским жидкостям. Самым известным примером таких жидкостей являются: зыбучие пески.
Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет.

Наука изучающая эти жидкости

Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология, наука, изучающая деформационные свойства реальных тел, наука о деформациях и текучести вещества. Термин "реология" ввёл американский учёный-химик Юджин Бингам.
Реология тесно переплетается с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести. В основу реологии легли законы Исаака Ньютона о сопротивлении движению вязкой жидкости, уравнения Навье — Стокса для движения несжимаемой вязкой жидкости, работы Дж. Максвелла, У. Томсона и др. Значительный вклад внесён русскими учёными: Д. И. Менделеевым, Н. П. Петровым, Ф. Н. Шведовым и советскими учёными П. А. Ребиндером, М. П. Воларовичем, Г. В. Виноградовым.

Цели и задачи

Цель работы – выяснить особенности и некоторые свойства неньютоновских жидкостей и возможности их использования в широком спектре.
Задачи исследования:
1 Найти в источниках информации определения и описания неньютоновских жидкостей.
2 Провести опрос старших школьников и взрослых на предмет информированности о неньютоновских жидкостях.
3 Описать свойства неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских жидкостей.
4 Выяснить классификацию неньютоновских жидкостей
5 Найти рецепты изготовления неньютоновских жидкостей и изготовить их.
6 Провести экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей.Методы исследования: Теоретические исследования с помощью соответствующей литературы и ресурсов Интернет. Сравнительный анализ механических свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Экспериментальные исследования свойств неньютоновских жидкостей проведем на основе водного раствора крахмала. Визуальные наблюдения с последующим выполнением фотографий. Анкетирование. Актуальность работы заключается в том, исследований свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твердого тела можно использовать во многих областях жизни

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости (градиент – это направление наискорейшего возрастания некоторой величины, в данном случае скорости), то такие жидкости называют ньютоновскими. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими. В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.п.

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей. Эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, 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 такой жидкости. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости. Например, водный раствор крахмала ведет себя по-разному в зависимости от воздействия. Если на него воздействовать резко, сильно, быстро - он проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел.
Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы: неньютоновские вязкие жидкости; неньютоновские нереостабильные жидкости; неньютоновские вязкоупругие жидкости

Применение неньютоновских жидкостей 

В военном производстве В мире очень популярны данные жидкости. В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных. Данные бронежилеты по своим характеристикам лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Материал, из которого изготавливаются бронежилеты, называется d3o. Материал d3o, разработанный одноименной американской компанией, относится к дилатантным неньютоновским жидкостям. Фактически d3o ведет себя как хорошо охлажденная карамель, только еще более чувствителен к нагрузкам. Бронежилеты из d3o Если нажимать на него мягко, то есть с небольшим возрастанием силы нажатия– он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении градиента скорости деформации компенсировать трение между частицами и, соответственно, обеспечить дрейф их друг относительно друга не получается, в результате чего в d3o образуется мгновенная жесткая структура, обусловленная уже обычным, сухим трением между частицами – именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. Как только такая резкая нагрузка будет снята, d3o расслабится и будет опять мягким и эластичным. Последний на данный момент успешный проект «жидкостной брони» был создан английским отделением компании BAE Systems

Состав своей неньютоновской жидкости для бронежилета BAE Systems по понятным причинам не разглашают, однако, зная физику, можно сделать определенные выводы. Скорее всего, это водный раствор какого-либо вещества (веществ), который имеет наиболее подходящие характеристики вязкости при сильных ударах.
При той же толщине, что у 30-слойного кевларового жилета «жидкостный» имеет втрое меньшее количество слоев синтетической ткани и вдвое меньший вес. Что касается защиты, то «жидкостный бронежилет» с гелем STL имеет почти такие же показатели защиты, как у 30-слойного кевларового. Разница в количестве листов ткани компенсируется специальными полимерными пакетами с неньютоновским гелем. Еще в 2010 году начались испытания готового опытного бронежилета на основе геля. Для этого обстреливались опытные и контрольные образцы. 9-миллиметровые пули патрона 9х19 мм Люгер выстреливались из специальной пневматической пушки с дульной скоростью порядка 300 м/с, что в некоторой мере аналогично большинству типов огнестрельного оружия под этот патрон. Характеристики защиты экспериментального и контрольного бронежилета оказались примерно одинаковыми.

Так это выглядит снаружи.

Заключение

В результате исследования получено представление о некоторых свойствах неньютоновских жидкостей. Они отличаются от обычных ньютоновских жидкостей видом зависимости вязкости от скорости деформации: у ньютоновских жидкостей она прямо пропорциональная, а у неньютоновских – более сложная, степенная, отсюда и различие в их свойствах. Получено представление о степени распространённости неньютоновских жидкостей: оказывается, такие жидкости встречаются повсюду и области их применения довольно широки. 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. Я доказал, что в домашних условиях можно сделать неньютоновскую жидкость. Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы. 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, и неньютоновскую жидкость в резервуарах можно использовать ля временной ликвидации ям на дорогах. Гипотеза исследования подтвердилась: Существуют такие жидкости, по поверхности которых человек может ходить , автомобиль может ездить

Эксперементальная часть

Итак, рецепт неньютоновской жидкости из крахмала: на 2 части крахмала добавить 1 часть воды и перемешать руками. 
Мы для того, чтобы играть в миске, брали 1 стакан крахмала и пол стакана воды.
Первые необычности мы заметили еще на этапе смешивания жидкости. По виду и консистенции оно похоже на тесто для блинов. Но вот размешать ее достаточно сложно - она упирается рукам изо всех сил. И кажется, что крахмал так и не растворится в воде. И, действительно, он не растворится. Именно поэтому у жидкости такие интересные свойства. У нас получится суспензия - частички этой жидкости так и остаются обособленными друг от друга и от воды.Но как только мы перестали стараться размешать крахмал, мы увидели, что жидкость уже перемешана и даже получилась очень однородной. Теперь с ней можно играть и изучать ее свойства. Так же невозможно выплеснуть жидкость из миски. Она вообще не брызгается! если взять мячик и бросить его в миску - он просто влипнет в нее и никакого ожидаемого всплеска не будет!

Список используемой литературы

https://rosuchebnik.ru/
https://www.nur.kz/1739256.html
https://masterok.livejournal.com/1205599.html
https://masterok.livejournal.com/1205599.html
https://ru.wikipedia.org/wiki