Детские исследовательские работы. Проект Неньютоновская жидкость

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 25», ГО ЗАТО СВОБОДНЫЙ

АВТОР: Орёл Андрей Сергеевич,

ученик 4 класса

РУКОВОДИТЕЛЬ: Агафонова Ирина Александровна,

учитель начальных классов;

ГО ЗАТО Свободный, 2016 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Вот как вы себе представляете жидкость? Какими свойствами она должна обладать? В первую очередь, наверное, она должна литься, растекаться и так далее, а уж никак не выдерживать вес человека или занимать вертикальное положение, но в не все в нашем мире так просто, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно. Задумывались ли Вы когда-нибудь можно ли ходить по воде? По воде ходить можно или нельзя?

Почему ящерицы и водомерки бегают по воде, это уже доказанный факт, а человек не может?

С точки зрения физики это невозможно.

Итак, определив объект исследования - жидкости, предмет исследования - неньютоновские жидкости, мы выдвинули гипотезу: если водомерки и ящерки бегают по воде, то и человек сможет бегать по жидкости.

Целью нашего исследования стало: выявить отличия обычной жидкости от неньютоновской, создать детскую игрушку, на основе неньютоновской жидкости.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Найти в источниках информацию определения и описания неньютоновских жидкостей;

2. Провести анкетирование школьников и взрослых на предмет информированности о неньютоновских жидкостях.

3. Выявить отличия обычной жидкости от неньютоновской.

4. Найти рецепты изготовления неньютоновских жидкостей и изготовить их.

5. Провести экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей.

6. Создать детскую игрушку на основе неньютоновской жидкости.

Методы исследования:

• изучение литературы;

• теоретический анализ;

• систематизация - приведение в систему полученных теоретических знаний.

• сравнение;

• анкетирование;

• эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Жидкость, неподчиняющаяся закону Ньютона

Нью́тоновская жидкость (названная так в честь Исаака Ньютона) - вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости в такой жидкости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость. [4].

Звучит довольно сложно, но будет более понятно, если сказать, что ньютоновская жидкость - это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние, что бы вы с ними не делали (если речь не идет об испарении или замораживании, конечно). [4].

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. Если на них воздействовать резко, сильно, быстро - они проявляют свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью. [5].

К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.

Зыбучий песок, также как и разные виды так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойствами, характерными как для твердых объектов, так и для обыкновенных жидкостей. Неньютоновские жидкости состоят из мелких частиц, распределенных в жидкости, причем внешне могут напоминать твердые субстанции или гель. В английском языке, впрочем, такие жидкости принято обозначать как "fluids", тогда как обыкновенные жидкие вещества названы привычным словом "liquids". 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.

Жидкость в окружающем нас мире встречается повсеместно. Свойства жидкостей знакомы каждому и любой человек, взаимодействующий с ними, в той или иной степени может предугадать, как поведет себя какая-либо жидкость в конкретной ситуации. Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать в ежедневном использовании, подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими. Ньютоновская жидкость, вязкая жидкость, жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона. [2].

Еще 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. 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. [5]

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. К изучению этой интересной темы меня подвело просмотр телепередачи «Галилео», где один из экспериментов был посвящен неньютоновским жидкостям. Эксперимент произвел на меня большое впечатление и мне захотелось побольше узнать об удивительных свойствах жидкостей, противоречащих законам физики. В домашних условиях мне удалось не только повторить увиденное, но и подробнее изучить данное явление, проводить много дополнительных экспериментов и придумать свои способы применения данной жидкости.

Проведя анкетирование среди школьников и взрослых начальной школы на предмет информированности о неньютоновских жидкостях, оказалось, что 86 % не знают о существовании неньютоновских жидкостей.

1.2 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. 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. 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, чтобы смыть грязь, но не дольше, чем нужно, иначе человек почувствует себя снова грязным. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости. [6]

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 втирать их нужно сильнее и чаще приходится наносить повторно, так как они долго не задерживаются на коже. Кремы и мази дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее ее увлажняют. Их особенно хорошо использовать зимой, когда в воздухе меньше влаги. В холодную погоду, когда кожа сохнет и трескается, очень помогают такие средства как, например, масло для тела - это что-то среднее между мазью и кремом. Мази намного дольше впитываются и после них кожа остается жирной, но они намного дольше остаются на теле. Поэтому их часто используют в медицине. [6]

От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.

Применение в кулинарии. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. [6]

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. Самые известные примеры таких салатов - селедка под шубой и оливье. Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму.

Майонез

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.[4,6]

Применение в медицине. 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. . [4,6]

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. Если нажимать на такой бронежилет мягко - он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении скорости образуется мгновенная жесткая структура,- именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. Как только такая резкая нагрузка будет снята, бронежилет расслабится и будет опять мягким и эластичным. Последний на данный момент успешный проект «жидкостной брони» был создан английским отделением компании BAE Systems. Их состав Shear Thickening Liquid (рабочее название bulletproof cream - пулестойкий крем) появился в 2010 году и планируется к использованию не в самостоятельном виде, но в сочетании с кевларовыми листами. 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. Еще в 2010 году начались испытания готового опытного бронежилета на основе геля. Для этого обстреливались опытные и контрольные образцы. Испытания прошли удачно. [6]

В дорожном строительстве: Поскольку при быстром движении по неньютоновской жидкости она реагирует как твердое тело, я предлагаю следующий вариант. В плотный мешок наливаем неньютоновскую жидкость таким образом, чтобы толщина такого пакета не превышала толщину ямы на автодороге. При движении автомобилей, жидкость среагирует как твердое тело и перепад глубины не будет чувствоваться при езде. [6]

В результате мы узнали, где можно применять неньютоновские жидкости: в ремонте дорог, в военной промышленности, в косметологии, в медицине, в кулинарии.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

   1. Отличие неньютоновской жидкости от обычной жидкости.

Проведя анкетирование среди школьников и взрослых начальной школы на предмет информированности о неньютоновских жидкостях, оказалось, что 86 % не знают о существовании неньютоновских жидкостей.

На 1 этапе. Мы изучили литературу о неньютоновской жидкости. Узнали, чем отличается неньютоновская жидкость от обычной жидкости.

2. Получение неньютоновской жидкости.

На 2 этапе мы проанализировали информацию и изготовили неньютоновскую жидкость в домашних условиях.

Для получения неньютоновской жидкости в домашних условиях мы

приготовили крахмал (картофельный, кукурузный - любой) и воду. Пропорция зависит от качества крахмала и составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В результате смешивания мы получали нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами. - это первый вид неньютоновской жидкости, которую мы получили в домашних условиях.

Второй вид неньютоновской жидкости, который мы попробовали изготовить - это изготовление игрушки - лизуна. Самая первая игрушка-лизун или слайм (slime) была сделана 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 безумно популярной у детей и взрослых. Лизуна можно было купить не везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях.

Изготовление лизуна своими руками и в домашних условиях отличается от оригинального рецепта. Например, гуаровую камедь приобрести в магазине не так просто, как другие компоненты. Поэтому мы использовали более доступные вещества:

1. Клей ПВА. Белый, желательно свежий клей можно купить в любом канцелярском или строительном магазине. Клея для Лизуна нам понадобилось примерно половина обычного стакана, около 100 гр.

2. Вода - самая обычная вода из-под крана. При желании можно взять кипяченую, комнатной температуры. Понадобилось немного больше стакана.

3. Тетраборат натрия, боракс или бура. Мы приобрели в аптеке, в форме 4%-ного раствора.

4. Пищевой краситель или несколько капель зеленки. Оригинальный лизун - зеленый, и зеленка отлично подходит на роль подкрашивающего вещества.

5. Мерный стакан, посуда и палочка для смешивания. В качестве палочки можно взять карандаш, ложку или любой другой подходящий предмет.

Переходим к самому процессу создания лизуна.

- Растворяем столовую ложку боракса в стакане воды.

- Четверть стакана воды и четверть стакана клея превращаем в однородную смесь в другой посуде. При желании туда же добавляем краситель.

- Перемешивая клеевую смесь, постепенно добавляем туда раствор буры, примерно полстакана. Мешаем до получения желеобразной однородной массы.

- Проверяем результат: загустевшая субстанция, собственно, и является игрушкой лизуном. Ее можно выложить на стол, помять и проверить все ее оригинальные свойства.

Третий вид, который мы изготовили на основе второго способа: но вместо зеленки использовали зеленую краску для принтера и попробовали во всю смесь добавить порошок-тонер для заправки лазерных принтеров. Этот порошок обладает некоторыми магнитными свойствами. У нас получилась отличная игрушка, она не только проявляла свойства как у игрушки - лизуна, но и вела себя как зыбучие пески: засасывала в себя все, что в нее попадает, особенно металлические предметы.

3. Эксперименты с неньютоновской жидкостью.

На 3 этапе провели эксперименты с неньютоновской жидкостью.

Убедились на собственном опыте, как ведет себя неньютоновская жидкость в определенных условиях.

Эксперимент 1.

Умный пластилин (хэндгам). Если воздействовать на него резко, бить по нему, то он вполне может заменить теннисный мяч, если оставить его в покое, то он постепенно расплывется.

Эксперимент 2.

Размешали картофельный крахмал и воду. При перемешивании выяснили чем быстрее мешаем, тем больше сопротивление. Жидкость начинает вести себя как твердое тело. Как только мешаем медленнее получаем обыкновенный кисель, т. е. жидкость. В ёмкость со смесью медленно ввели руку, то результат точно такой же, как если бы мы ввели руку в воду. Но мы размахнулись как следует и стукнули по этой смеси, рука отскочила, как если бы это было твёрдое вещество.

Также мы лили такую смесь с достаточной высоты: в верхней части струя текла, как жидкость, а в нижней - скапливалась комками, как твёрдое вещество. Кроме того, мы засунули руку в жидкость и резко сжали пальцы. Почувствовали, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка. Или ещё один эксперимент - сунули руку в этот "кисель" и резко попытались её вытянуть. Ёмкость поднялась вслед за рукой.

Эксперимент 3.

Взяли яйцо, положили его в пакет с водой, бросили с высоты данный пакет в ведро. Яйцо при ударе разбилось. Взяли другое яйцо и положили его в пакет с неньютоновской жидкостью. Точно так же бросили с высоты в ведро, но яйцо не разбилось. Отсюда вывод, при ударе об ведро жидкость повела себя как твердое тело.

Эксперимент 4.

Мы пробовали забить гвоздь в брусок в сосуде с водой. Это нам не удалось, так как вода разбрызгивалась, брусок тонул и снова всплывал. Зато в брусок, который находился в неньютоновской жидкости мы легко забили гвоздь. Так как жидкость принимала свойства твердого тела.

Эксперимент 5.

Мы развели неньютоновскую жидкость в таз и нам удалось побегать на неньютоновской жидкости. Таким образом мы подтвердили гипотезу: если водомерки и ящерки бегают по воде, то и человек может бегать, если изменить свойства жидкости.

Эксперимент 6.

В неньютоновскую жидкость на основе клея ПВА, краски для струйного принтера и тонера для заправки лазерных принтеров мы положили металлический кубик, неньютоновская жидкость поглотила его в себя. Но когда ударили по жидкости, то она моментально стала твердой и перестала поглощать металлический кубик. Так мы провели эксперимент с гвоздями, бумагой и конфетой. Вывод: металлические предметы жидкость засосала в себя, а конфету и бумагу не тронула.

Тем самым, проведя эксперименты с неньютоновской жидкостью мы на собственном опыте убедились в свойствах жидкости. Но следует изучить почему в изобретенной нами игрушке металлические предметы притягиваются?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В своей работе мы использовали лишь малую часть того, что известно о неньютоновских жидкостях. В результате исследования получено представление о некоторых свойствах неньютоновских жидкостей. Они отличаются от обычных ньютоновских жидкостей. 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 звуковым.

Получено представление о степени распространённости неньютоновских жидкостей: оказывается, такие жидкости встречаются повсюду и области их применения довольно широки. Проведя анкетирование среди школьников и взрослых начальной школы на предмет информированности оказалось, что 86 % не знают о существовании неньютоновских жидкостей.

В результате изучения литературы и интернет источников мы узнали, где можно применять неньютоновские жидкости: в ремонте дорог, в военной промышленности, в косметологии, в медицине, в кулинарии. Также, узнали в чем отличия обычной жидкости от неньютоновской жидкости.

В результате работы мы изготовили три вида неньютоновской жидкости в домашних условиях. В ходе работы проведено экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей с выполнением фотографий видеосъемки. Проведя эксперименты с неньютоновской жидкостью мы на собственном опыте убедились в свойствах жидкости. Мы достигли цели: выявили отличия обычной жидкости от неньютоновской, создали детскую игрушку, на основе неньютоновской жидкости. Тем самым нам удалось подтвердить гипотезу: если водомерки и ящерки бегают по воде, то и человек сможет бегать по жидкости, если изменить свойства жидкости.

Но у нас остались вопросы, почему в изобретенной нами игрушке металлические предметы притягиваются? Возможно от тонера? Или это зависит от других свойств. Наша работа не закончена. Это нам предстоит узнать, выполнить исследования магнитной жидкости.

Мы рассказали на классных часах и научно-практической конференции о неньютоновских жидкостях, многие дети заинтересовались, стали проводить эксперименты. Сейчас в нашей школе знают о неньютоновской жидкости 70 % обучающихся.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, - 3-е изд., М.: Педагогика, 1973

2. naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html

3. Уокер Дж. Физический фейерверк: - 2-е изд. Пер.с англ./ Под ред. И.Ш.Слободецкого. - М.: Мир, 1998.

4. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.В.А.Чуянов. - 2-е изд., испр. и доп.- М.: Педагогика, 1991. - 336с.

5. https://www.youtube.com/watch?v=unfbSxDLYi4

6. xn----itbbmalqd7b5a5d8a.xn--p1ai/wp-content/uploads/2015/06/03_Ispolzovanie-nenyutonovskoj-zhidkosti.pdf.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Эксперимент 3.

Эксперимент 4.

</

1