Обучающийся 10 класса школы в своем исследовательском проекте по физике на тему "Неньютоновские жидкости" предварительно изучает, что такое жидкость, разбирается в различии ньютоновских и неньютоновских жидкостей, приводит в работе исторические справки.

В ходе научно-исследовательской работы по физике учащийся 10 класса углубленно изучил разновидности и свойства неньютоновской жидкости, проследил использование неньютоновской жидкости в нынешнем времени, провел практическую часть работы.

Подробнее о проекте:

При работе над индивидуальным исследовательским проектом по физике о неньютоновских жидкостях ученик 10 класса в рамках экспериментальной части проекта провел анкетирование среди одноклассников, эксперимент по приготовлению "умного" пластилина, как разновидности неньютоновской жидкости.

Оглавление

Введение
I. Основная часть
Глава первая – Теоретическая часть
1.1 Что такое жидкость
1.2 Историческая справка
1.3 Ньютоновские и неньютоновские жидкости
1.4 Разновидности и свойства неньютоновской жидкости
1.5 Использование неньютоновской жидкости в современности
Глава вторая – Практическая (экспериментальная) часть
2.1 Анкетирование
2.2 Эксперимент
2.3 Приготовление «умного» пластилина
Заключение
Список использованной литературы
Приложения

Название проекта: «Неньютоновские жидкости».
Руководитель проекта: ЩербаковаН.И.
Автор проекта: Садонцев Д. А., ученик 10 класса.
Учебная дисциплина: физика.
Тип проекта: информационно-исследовательский.

Цель работы – выяснить особенности и некоторые свойства неньютоновских жидкостей.

Задачи исследования:
1. Найти в источниках информации определения и описания неньютоновских жидкостей.
2. Провести анкетирование 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 с выполнением фотографий.

Вопрос проекта: возможно ли изготовить неньютоновскую жидкость в домашних условиях и наглядно показать физические свойства? Почему она не обладает всеми свойствами, присущими обычным жидкостям?

Гипотеза: неньютоновскую жидкость можно изготовить в домашних условиях и найти ей реальное применение.

Краткое содержание проекта: в исследовательском проекте рассматриваются понятия жидкости, описываются типы жидкостей, особенности их строения, физических свойств и способы изготовления неньютоновских жидкостей: из крахмала и воды; поднимается вопрос о применении неньютоновских жидкостей в современности, так как возросла потребность в них.

Результат проекта (продукт): неньютоновская жидкость и демонстрация её свойств; «умный» пластелин.
Реализация проекта: ознакомление учащихся 7-11 классов с темой исследования через буклет.

Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.

Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Я заинтересовался такими жидкостями, их свойствами и применением. Провёл несколько опытов.

Актуальность работы заключается в том, что исследований свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твердого тела можно использовать и используется во многих областях жизни: в медицине, кулинарии, автомобильной промышленности, при производстве электроники, при изготовление контейнеров для транспортировки, хранения легко бьющихся стеклянных предметов , при изготовлении защитных средств для спортсменов, а так же их применении при обучении маленьких детей ходьбе.

У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще большее применение в нашей жизни.
Цель работы: изучение понятия неньютоновской жидкости, её физических свойств, способ приготовления и области применения.

Задачи работы:

1. Познакомиться с историей изучения неньютоновских жидкостей;
2. Провести анализ источников информации по этой теме;
3. Изучить физические свойства неньютоновских жидкостей, рассмотреть их особенности;
4. Познакомиться со способами приготовления неньютоновских жидкостей;
5. Опытным путём изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей (плотность, температура кипения),
6. Узнать области применения неньютоновских жидкостей.

Объект исследования: жидкости.
Предмет исследования: неньютоновская жидкость.
Основные методы и методики, которые использовались при разработке проекта:

1. Методы эмпирического уровня: наблюдение; анкетирование; фотографирование; измерение; сравнение.
2. Методы теоретического уровня: изучение и обобщение; абстрагирование; анализ и синтез; индукция и дедукция.

На защиту выносится компьютерная презентация, буклет, неньютоновская жидкость и эксперимент, демонстрирующий её основные свойства.
Новизна проекта заключается в теме проекта, которая в нашей образовательной программе физики и химии. При этом данная тема не рассматривалась дополнительно в других исследовательских работах, проведённых учениками нашей школы.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы на уроках, дополнительных занятиях по физике.

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями.
При этом агрегатное состояние жидкости является конденсированным, то есть таким, в котором частицы (атомы, молекулы, ионы) связаны между собой.
Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму.

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления.

В XVI-XVII веках нашей эры, в эпоху Возрождения («Ренессанса»), появились работы Галилея, Леонардо да Винчи, Паскаля, Ньютона, положившие серьезные основания для дальнейшего совершенствования «механики жидкости и газа» как науки.

В XV—XVI вв. знаменитый итальянец Леонардо да Винчи (1452 — 1519 г.г.) написал работу «О движении и измерении воды», которая была опубликована лишь через 400 с лишним лет после ее создания. Симон Стевин (1548-1620) – фламандский математик-универсал, инженер - написал книгу «Начало гидростатики», Галилео Галилей (1564—1642) рассмотрел основные законы плавания, Торичелли (1608—1647) открыл законы истечения жидкости из отверстий, Блез Паскаль (1623—1662) открыл закон о передаче давления в жидкости, Исаак Ньютон (1642—1727) в 1686 г. сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости.

Сэр Исаак Ньютон — английский физик, математик, механик, и астроном, один из создателей классической физики. Современная наука обязана Ньютону множеством сформулированных законов поведения тел и веществ. В числе прочих он сформулировал закон вязкого трения жидкостей. Согласно этому закону, жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами в независимости от того, какие силы действуют на нее.

Первые работы о свойствах неньютоновских жидкостей появились в 50-х годах прошлого века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, биогидродинамики, пищевой промышленности. Широкое использование полимерных и нанопорошковых присадок в целом ряде прикладных задач гидродинамики в настоящее время вновь вызвало интерес к неньютоновским жидкостям.

Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология (от греч. rheos-течение, поток и logos-слово, учение), наука, изучающая деформационные свойства реальных тел, наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает действующие на тело механические напряжения и вызываемые ими деформации. Термин "реология" ввёл американский учёный-химик Юджин Бингам. Официально термин "реология" принят на 3-м симпозиуме по пластичности (1929, США), однако отдельные положения реологии были установлены задолго до этого.

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 и др.

Ньютоновская жидкость - это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. Если же жидкость не подчиняется этому закону, она считается неньютоновской.
Ненью́то́новской жи́дкостью 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.

Свойства неньютоновской жидкости.

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, 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.
Ньютоновские жидкости подчиняются в своём течении закону вязкого трения Ньютона, описываемому следующим уравнением:

где τ – касательное напряжение, вызываемое жидкостью (напряжение сдвига), Па;
μ – динамический коэффициент вязкости (коэффициент пропорциональности), Па•с;
du/dy – градиент скорости перпендикулярно направлению сдвига (скорость сдвига), с−1.

Неньютоновские жидкости обладают рядом особенностей. Например, они имеют память. Дело в том, что время, характерное для процесса перестройки длинных молекул, может превышать время наблюдения за течением жидкости. Течение не успевает перестроиться, имеет место эффект запаздывания, а значит, эффект памяти. Удивительные свойства неньютоновых жидкостей. Двигаясь в трубе, жидкость испытывает силу трения о ее поверхность, в результате чего кинетическая энергия переходит в тепловую. Поэтому снижение силы трения является важной технической проблемой. Как оказалось, добавление в жидкость малого количества полимера значительно снижает силу трения.

Неньютоновские жидкости удобно подразделять на четыре группы:

Бингамовские пластичные жидкости (бингамовские пластики)
Бингамовские жидкости (Бингама тела) - неньютоновские жидкости, имеющие предел текучести, для которых свойственно сохранение структуры (неподвижность) вплоть до достижения напряжения, равного начальному напряжению сдвига.

Наглядным примером бингамовской жидкости является краска — за счёт действия связующих веществ возникает порог для напряжения сдвига, и она способна образовывать неподвижные слои на вертикальных поверхностях. Любые другие жидкости будут стекать вниз.

Псевдопластичные жидкости (псевдопластики)
Псевдопластичные жидкости - это жидкости, вязкость которых уменьшается при увеличении напряжений сдвига.
Это свойство проявляет себя в некоторых сложных веществах, таких как лава, кетчуп, кровь и лак для ногтей. Это также общее свойство для полимерных веществ.

Псевдопластичность может быть продемонстрирована на примере такого продукта как кетчуп. Если пластиковую бутылку с кетчупом сжать, то у содержимого бутылки изменяется вязкость, и вещество, бывшее до того густым как мёд, начинает вытекать почти как вода. Это свойство позволяет кетчупу, с одной стороны, легко вытекать из тары, а с другой стороны, сохранять свою форму на тарелке, и придаётся ему специально путем использования пищевых полисахаридов, например: (картофельный, тапиоковый, кукурузный) крахмал, что позволяет увеличить его продажи.

Дилатантные жидкости
Дилатантные жидкости (дилатантные материалы) — это такие материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига.

Дилатантный эффект наблюдается в тех материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между частичками. При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка, и дилатантный материал способен легко перетекать. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнять свободные пространства, образующиеся между движущимися частичками, и поэтому трение между частичками сильно возрастает, что приводит к увеличению вязкости.

Такой эффект можно легко наблюдать в смеси кукурузного крахмала и воды, которая ведёт себя парадоксальным образом, когда по её поверхности наносится удар или в неё что-либо бросают. Песок, полностью промоченный водой, также ведёт себя как дилатантный материал. По этой причине, когда гуляете по пляжу после дождя, можно наблюдать сухой песок в тех местах, куда наступала нога (под смоченным слоем песка имеется область сухого песка, вследствие того, что капли дождя, ударяясь об уже влажный песок, не могут проникнуть вглубь из-за дилатантных свойств мокрого песка). По тем же причинам, следы быстро бегущего человека на мокром песке намного слабее, чем на сухом, конечно, в этом случае проявление эффекта сильно зависит от веса бегущего.

Магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости – это жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующим их слипанию.

Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля.
Неньютоновские жидкости в природе

Зыбучий песок, пример так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойствами, характерными как для твердых объектов, так и для обыкновенных жидкостей.

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. Место, где притаились зыбучие пески, отличить от обычной твердой почвы довольно трудно. Солнце просушивает верхний слой топкой поверхности, что приводит к образованию тонкого пласта земли, на котором начинает расти трава. Вот так возникает природная ловушка, в которую может попасть любой.

Плывуны — это насыщенные водой грунты, при вскрытии приобретающие свойства вязкой жидкости. Они представляют собой большую опасность при выполнении строительных работ. Если плывуны вскрываются подземными выработками, то они сравнительно быстро заполняют её, а вышележащие массы начинают сдвигаться и тоже приходят в движение.

Средства защиты

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. Он также используется в спортивном и мотоциклетном снаряжении; защитных чехлах для бытовой электроники, включая телефоны; промышленной спецодежде; и военной защите, включая накладки на шлемы и средства защиты конечностей.

В автомобильной промышленности

Так же неньютоновские жидкости используются в автомобильной промышленности. 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.

В медицине

Иногда знать свойство вязкости жидкости жизненно важно. Так в медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем 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.

В нефтепромышленности

Практический интерес представляет также использование специфических реологических эффектов. Так, малые полимерные добавки к воде и нефтепродуктам придают жидкости новые реологические свойства, благодаря чему резко снижается гидравлическое сопротивление при турбулентном течении (эффект Томса).

Ферромагнитная жидкость используются в некоторых электронных устройствах. Например, для отвода тепла от звуковой катушки. Одновременно она работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс. Ферромагнитная жидкость удерживается в зазоре вокруг звуковой катушки сильным магнитным полем, находясь одновременно в контакте с обеими магнитными поверхностями и с катушкой.

С целью выяснения распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей автором работы проведено анкетирование учеников 7 – 11 классов, учителей и учащихся МКОУ «Новопетровская СШ».

Содержание анкеты:
1)Как Вы думаете, может ли человек ходить по поверхности воды? (Без каких-либо специальных приспособлений)
2)Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости? (Без каких-либо специальных приспособлений)
3)Если «да», то, что это за жидкость?
(Приложение № 1).

Ни один из респондентов не назвал неньютоновские жидкости, что говорит об отсутствии знаний о жидкостях такого рода. Но интуитивно 50 % опрошенных школьников поняли, что такие жидкости существуют и 78% респондентов уверены, что это не вода. 17% опрошенных учеников очень близки к пониманию того, каким образом можно передвигаться по поверхности жидкости и какой она должна быть: передвигаться очень быстро, а жидкость должна быть очень вязкой. И неожиданно ответ «кисель» оказался очень близок к истине.

Результаты анкетирования взрослых показали примерно такую же картину, как и результаты школьников. Большая часть взрослых респондентов уверена, что ходить по воде и другим жидкостям нельзя (73% отрицательных ответов на 1 вопрос и 60 % - на второй). 27 % предполагают, что такие жидкости существуют: это жидкости вязкие, с большой плотностью. Результаты анкетирования убедительно показали, что данная работа будет интересна не только школьникам, но и взрослым. С результатами исследований планирую выступить на школьной неделе физики и математики.

Чтобы приготовить неньютоновскую жидкость мне понадобились вода и картофельный крахмал. Их нужно было смешать в равной пропорции 2:1. (приложение №5)

Опыт №1. «Забивание гвоздя в деревянный брусок на неньютоновской жидкости»
Оборудование: гвоздь, деревянный брусок, молоток, две ёмкости, вода и неньютоновская жидкость. (Приложение № 2)

Я попытался забить гвоздь в брусок, плавающий в разных жидкостях.

1. В чашке с водой, брусок под ударами тут же оказывался под водой, забить гвоздь не получалось. (Приложение № 3)
2. В чашке с неньютоновской жидкостью брусок не тонул, а только немного пружинисто проседал, и гвоздь получилось забить. (Приложение № 4)
   Этот опыт так же показывает, что неньютоновская жидкость под воздействием механических сил ведет себя как твердое тело.

Опыт №2 с яйцом
Оборудование: яйца, прочные пластиковые пакеты, вода и неньютоновская жидкость. (приложение №6)
Наполнили пакет водой, опустили в него яйцо и крепко завязали. (приложение №7) После этого позволяем пакету упасть с высоты около метра. Яйцо разбилось. (приложение №8)

Повторили этот опыт с неньютоновской жидкостью. При падении с высоты 1 метра яйцо не разбилось, при падении с высоты 2 метров тоже. (приложение №9)
Этот опыт показывает, что при ударе неньютоновской жидкости о поверхность, один ее слой становится твердым, следующий становится плотным, а чем дальше от пола, тем более жидкий. Яйцо, благодаря погашению скорости падения неньютоновской жидкостью, не разбилось.

Handgum — материал для лепки, полюбившийся своими свойствами не только детям, но и их родителям. Эта игрушка известна также как «жвачка для рук» или «умный пластилин».
Свойства хендгама удивляют! Это вещество может принимать совершенно любую форму, быть пластичным, твердым и жидким одновременно. Его консистенция напрямую зависит от прикладываемой силы.

Если оставить пластилин на поверхности, то спустя несколько минут он начнет растекаться и превращаться в лужу. Если массу мять и растягивать, она будет представлять собой вязкую и тягучую субстанцию. При более активном воздействии хендгам поведет себя как твердое тело: при резких движениях он будет рваться, а при бросании на пол — отпрыгивать и пружинить, как мяч. В научной сфере полимер с такими свойствами называют неньютоновской жидкостью.
Оборудование: ёмкость.

Ингредиенты: 4-5 столовых ложек крахмала, 1 столовая ложка растительного масла, 1 столовая ложка шампуня. (приложение №10)
Процесс приготовления:

1. Наливаем в ёмкость масло. (приложение №11)
2. Добавляем шампунь. (приложение №12)
3. Тщательно перемешиваем. (приложение №13)
4. Добавляем порциями крахмал. (приложение №14)
5. Снова перемешиваем. (приложение №15)

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам удалось в рамках исследовательского проекта по физике "Неньютоновские жидкости" наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

По итогам исследовательской работы по физике "Неньютоновские жидкости" были выполнены все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. Проведенные опыты и презентация проиллюстрировали цель проделанной нами работы.

Считаю, что созданную нами работу (проект) о неньютоновских жидкостях можно использовать, как ученикам (как учебное пособие), так и учителям общеобразовательных школ.

1. арембо Л.К., Болотовский Б.М., Стаханов И.П. и др. Школьникам о современной физике. Просвещение,2006г.
2. Кабардин О.Ф., Физика, справочные материалы, Просвещение, 1988, Москва
3. Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах / Г. Б. Фройштетер, С. Ю. Данилевич, Н. В. Радионова; АН УССР, Ин-т техн. теплофизики, Всесоюз. н.-и. и проект.-конструкт. ин-т нефтеперераб. и нефтехим. пром-сти. - Киев: Наук. думка, 1990
4. Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости, пер. с англ., Москва, Издательство: Мир, 1964-216 с,
5. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике, Москва, Издательство: Наука, 1979.-944 с.,
6. Брук Э. Т., Фертман В. Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости . — Минск, Издательство: Выш. школа, 1983. — 253 с, ил.
7. М. В. Авдеев, В. Л. Аксенов. Малоугловое рассеяние нейтронов в структурных исследованиях магнитных жидкостей, Дубна статья

Анкета
1)Как Вы думаете, может ли человек ходить по поверхности воды (без каких-либо специальных приспособлений)?
1.Да 2.Нет
2)Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости (также без каких-либо специальных приспособлений)?
1.Да 2.Нет
3)Если «да», то, что это за жидкость?

В исследовательском проекте "Неньютоновские жидкости" в качестве информационных источников также использовались ресурсы среды Интернет.