«Необычное в обычном…»


Необычное в обычном…
Паспорт проекта
Выполнила Свердлова Алина Игоревна,
ученица 11 «А» класса
МБОУ гимназии г. Гурьевска
Научный руководитель
Матвеева Вера Владимировна,
учитель физики и астрономии
МБОУ гимназии г. Гурьевска

Гурьевск
2015 год
Тип проекта: информационно - исследовательский.
Тип проекта по предметно - содержательной характеристике:
меж предметный.
Учебная работа по количеству участников:
индивидуальная.
По срокам: долгосрочная.
По характеру контактов у учащихся в процессе выполнения проекта: внутри школьная.
Краткая аннотация проекта
В одном из выпусков передачи «Галилео» я увидела интересный видеосюжет про то, как люди «ходят по воде» и узнала, что ходят они не по обыкновенной жидкости, а по неньютоновской. Ранее я уже слышала об этом веществе, но увидев, как оно проявляет свои свойства, особенно заинтересовалась его поведением в различных ситуациях. Особенно привлекает внимание то, что его свойства можно изучать с помощью наглядных примеров – опытов, которые не составит труда провести в домашних условиях. Из таких веществ изготавливаются детские игрушки, которые тоже можно сделать самостоятельно.
Оказывается, эта жидкость имеет применение в кулинарии, косметологии и медицине.
Гипотеза: является ли неньютоновская жидкость полезной, нужной и используемой в разных сферах жизни.
Цель: исследование поведения и свойств неньютоновской жидкости, проведение экспериментов, изучение вещества на наглядных примерах.
Задачи:
Найти и изучить источники информации в популярной литературе и интернете.
Изучить поведение неньютоновской жидкости на наглядных примерах.
Провести опыты.
Методы исследования:
Анализ информации из разных источников.
Обобщение данных о свойствах неньютоновской жидкости.
Демонстрация опытов.
Глава I. Теоретическая часть работы
Что такое жидкость
Понятие
Жидкость — вещество, находящееся в фазе жидкого агрегатного состояния, занимающего промежуточное положение между фазами: твёрдой и газообразной. Основным свойством жидкости является способность неограниченно менять форму, практически сохраняя при этом объём.
Сосуществование с другими фазами
Для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества — газообразной или кристаллической — нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием — например, вода с водяным паром и часто со льдом. Это объясняется испарением воды и обратным процессом — конденсацией.
Характерные свойства жидкости
Текучесть
Характерным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.
В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.
Вязкость
Жидкости характеризуются вязкостью. Это величина, обратная текучести жидкости; зависит от природы жидкости и уменьшается с увеличением температуры.
Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство всех текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Закон вязкости НьютонаЕще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее нежели, если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее.
Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения.
Неньютоновская жидкость
Понятие
39966902349500Неньюто́новской 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.
Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости.
Свойства
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 даже и звуковыми волнами. Чем сильнее воздействие на обычную 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. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.
Влияние различных факторов
Эффект изменения (обычно снижения) эффективности вязкости η с ростом скорости сдвига называется аномалией вязкости. Характерная особенность неньютоновских жидкостей состоит в том, что их кажущаяся вязкость не является константой данной жидкости. Она зависит уже не только от температуры и давления, но и от скорости сдвига, продолжительности его действия и других факторов. Поэтому неньютоновские жидкости условно делятся на три группы, каждая из которых, в свою очередь, подразделяется на подгруппы. К первой группе относят так называемые вязкие, или стационарные, неньютоновские жидкости, для которых градиент скорости не зависит от времени (очень густые суспензии, пасты; растворы многих полимеров). Ко второй группе относят неньютоновские жидкости, у которых зависимость между градиентом скорости и напряжением силы трения изменяется во времени (масляные краски, а из молочных продуктов — простокваша и кефир). К третьей группе относят вязкоупругие жидкости, которые текут под воздействием напряжений сдвига. После снятия этих напряжений они частично восстанавливают свою форму как упругие твердые тела. Такими свойствами обладают некоторые смолы и тестообразные тела.
Классификация в зависимости от характера изменения вязкости жидкости
Псевдопластики – это неньютоновские жидкости, обладающие свойством, при котором вязкость жидкости уменьшается при увеличении напряжений сдвига. Это свойство проявляет себя в некоторых сложных полимерных веществах: лава, кетчуп, краски и лак для ногтей.
Дилатантные жидкости — это такие материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Например, мокрый песок.
Тиксотропные и реопексные жидкости
Отдельным случаем неньютоновских жидкостей являются тиксотропные и реопексные жидкости, вязкость которых изменяется с течением времени.
Эффе́кт Ке́я (англ. Kaye Effect) — явление, характерное для нелинейно вязких жидкостей. Был открыт британцем Аланом Кеем (англ. Alan Kaye) в 1963 году.
Если вязкую жидкость выливать тонкой струёй на плоскую поверхность такой же жидкости, покоящейся в сосуде, то в месте соприкосновения струи и поверхности наблюдается отскок струи, как от соприкосновения с твёрдой поверхностью. Наблюдается в виде появления отскакивающей струи, бьющей вверх наподобие маленького фонтана.
Эффект можно наблюдать, используя обычные средства домашнего хозяйства —шампунь или жидкое мыло. Ввиду короткой продолжительности (обычно не более 300  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%81%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BD%D0%B4%D0%B0" \o "Миллисекунда" мс) явление обычно остаётся незамеченным.
Примеры
К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, жидкое мыло и др.
В качестве популярных примеров можно привести игрушки «Жвачка для рук» и «Лизун».
Жвачка для рук
left1333500 (Хэндгам, Handgum — ручная жвачка, жвачка для рук) — пластичная игрушка на основе кремнийорганического полимера, созданная в 1943 году шотландским учёным Джеймсом Райтом.
Слайм (лизун)
419163511874500Это игрушка, впервые выпущенная компанией Mattel под названием Slime в 1976 г. Состоит из вязкого желеобразного материала, обладающего свойствами неньютоновской жидкости. Основным компонентом лизуна, выпущенного Mattel в 1976 году, была гуаровая камедь. Он был зелёного цвета и продавался в пластиковой баночке. С тех пор его выпускало много других компаний, а название «слайм» стало нарицательным.
Интересен своими свойствами неньютоновской жидкости. Материал похож на слизь, но при этом не разливается и легко собирается. Если слайм оставить в покое, он собирается в форму шара, а при резком воздействии уплотняется, и, например, при ударе по куску материала можно видеть, как он рвётся.
-381019304000Бронежилеты Некоторые правительственные организации и корпорации используют дилатантные материалы в разработке бронежилетов и других защитных устройств для человеческого тела.
Зыбучие пески
159067524828500
Это известный с давних пор пример неньютоновских 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.
Кровь
-234954254500Кровь — неньютоновская жидкость, так как она представляет собой суспензию форменных элементов (эритроциты, лейкоциты и др.) в плазме. Это значит, что из-за различных градиентов скорости, реализующихся в движущейся крови, её вязкость в различных участках сосудистой системы может изменяться. Кроме того, вязкость крови изменяется в значительных пределах, от 1,7 до 22,9 мПа·с. Это может быть также связано с патологиями и болезнями крови.
Причина поведения на примере смеси крахмала с водой.
left9271000(Физическая основа неньютоновской жидкости.)  Частицы крахмала набухают в воде и между ними формируются физические контакты в виде хаотически сплетенных групп 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 рвется и молекулы равномерно расходятся.
Применение  неньютоновских  жидкостей
При исследовании неньютоновских жидкостей в первую очередь изучают их вязкость, знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают и в медицине, и в технике, и в кулинарии, и в производстве косметики.
Применение в косметологии
Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям. Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено.
Применение в кулинарии
Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной, чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы 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, чтобы эти салаты держали форму.
Применение в медицине
В медицине вязкость так же важна в изготовлении мазей и кремов.
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.
В клинических лабораториях определение относительной вязкости крови производят при помощи специального вискозиметра (рис. 2), сравнивая расстояния, на которые продвигаются за одно и то же время в двух капиллярных трубках при создании слабого вакуума одинаковые по величине столбики крови и воды, занимающие аналогичное начальное положение в трубках. Продвижение жидкостей прекращают, когда кровь достигнет метки 1; по метке, до которой продвинется вода, определяют величину относительной вязкости крови. Относительная вязкость крови человека в норме колеблется в пределах от 4 до 5. Вязкость крови повышается при гипертонической болезни, инфаркте миокарда и др., а вязкость понижается, например, при анемиях.
23133059144000
Глава II. Практическая часть исследовательской работы
Эксперименты с неньютоновской жидкостью
Опыт 1 Приборы и материалы: крахмал, вода, емкость (молоток).
Проведение опыта:
Развела смесь из крахмала и воды в пропорции 1 к 1 в удобной емкости.
Резко ткнула пальцем (ударила молотком) в получившую смесь и тут же его вытащила.
Медленно опустила палец (молоток) в смесь и медленно вытащила.
Медленно опустила палец (молоток) в смесь и резко дернула его вверх.
Наблюдения: В первом случае палец (молоток) не вышло макнуть в жидкость, он ударился об нее, как об твердую поверхность и остался чистым. Во втором случае - погрузился в жидкость и после остался испачканным в ней. В третьем – палец (молоток) погрузился в жидкость, а при резком поднятии выдернул часть жидкости, которая в такой ситуации напомнила пластилин.

Опыт 2 Приборы и материалы: крахмал, вода, 2 сырых куриных яйца, 2 полиэтиленовых пакета.
Проведение опыта:
Развела смесь из крахмала с водой в пропорции 1 к 1.
Положила в 2 полиэтиленовых пакета по яйцу.
Залила одно водой, второе – ранее подготовленной смесью.
Завязала пакеты.
Подняла оба пакета на высоту около 2 метров.
Отпустила пакеты.
Пакеты упали на землю.
Наблюдения:
Яйцо, находившееся в пакете с водой, разбилось, пакет разорвался, вода вылилась.
Другое же яйцо, находившееся в пакете с неньютоновской жидкостью, осталось целым, хотя и этот пакет порвался, жидкость вытекла.
В этом опыте смесь крахмала с водой повела себя как дилатантный материал и проявила свойства, обеспечившие, в данном случае, защиту яйцу.
Именно эта технология и используется в бронежилетах.
353949016319500017145000
Опыт 3 Приборы и материалы: вода, крахмал, пищевая пленка, сабвуфер с открытой мембраной.
Проведение опыта:
Развела смесь из крахмала с водой в пропорции 1 к 1.
Затянула мембрану пленкой (во избежание загрязнения).
Налила на мембрану, затянутую пленкой, немного полученной ранее неньютоновской жидкости.
Включила музыку, содержащую низкие частоты.
Наблюдения:
Жидкость хаотически левитирует, входя в резонанс с колебаниями мембраны, вызванными звуковыми волнами.
116776513335000
11772908255000
Заключение
В данной работе я хотела узнать причины необычного поведения странной жидкости, узнать о ее свойствах, а также самостоятельно провести опыты с ней. В ходе работы познакомилась с еще одним законом великого ученого Исаака Ньютона – законом вязкого трения, изучила ньютоновскую жидкость, подчиняющуюся этому закону, и ее основные свойства. Затем изучила жидкость, про существование которой, очевидно, Ньютон не знал. Так как эта жидкость не поддается законам поведения обычных жидкостей, она была названа неньютоновской. Я изучила ее свойства и причины необычного поведения, и на основе этого самостоятельно провела опыты с ней, действительно убедилась в том, что неньютоновская жидкость является полезной, нужной и используемой в разных сферах жизни. Изучив много материала, я поняла, что неньютоновская жидкость не изучается в программе средней школы, следовательно, я расширила горизонты своих познаний по физике и готова поделиться ими со своими сверстниками и даже учителями.
Источники интернета
http://www.membrana.ru/ /27.01.15
http://experiment.ru/ /27.01.15
http://www.medical-enc.ru/3/vjazkost_zhidkosti.shtmlhttp://www.popmech.ru/history/5383-spasitel-zhizney-kevlar-prochnee-stali/http://www.graff.by/facts/Mozhno-li-hodit-po-vode_Nenjutonovskaja-zhidkost/http://bse.sci-lib.com/article007689.html /02.03.15
http://www.medical-enc.ru/3/vjazkost_zhidkosti.shtml /02.03.15
https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_вязкости_Ньютона /02.03.15
http://chem21.info/info/328835/ /02.03.15
https://ru.wikipedia.org/wiki/Вязкость#.D0.92.D1.8F.D0.B7.D0.BA.D0.BE.D1.81.D1.82.D1.8C_.D0.B6.D0.B8.D0.B4.D0.BA.D0.BE.D1.81.D1.82.D0.B5.D0.B9 /02.03.15
http://www.popmech.ru/science/6016-nauka-s-privetom-pyaterka-anomalnykh-substantsiy/ /02.03.15
http://www.popmech.ru/master-class/12536-atomnyy-konstruktor-reaktor-na-stole/ /02.03.15
https://ru.wikipedia.org/wiki/%CD%E5%ED%FC%FE%F2%EE%ED%EE%E2%F1%EA%E0%FF_%E6%E8%E4%EA%EE%F1%F2%FC /02.03.15
http://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2013/12/14/nauchnaya-rabota-nenyutonovskie-zhidkosti /02.03.15
Телепередачи
Галилео. Выпуск 633.

Приложенные файлы

  • docx file 16 doc
    "Необычное в обычном..."
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 2