Biologie 

Připravujeme nenewtonskou kapalinu a seznamujeme se s jejími neobvyklými vlastnostmi. Co je to nenewtonská kapalina? Příklady a experimenty Newtonovská kapalina v kole

Ahoj!

Dovolte mi představit mladého odborníka Stase. Velmi rád experimentuje, vše nové se učí ve své domácí laboratoři.

Dnes, zejména pro čtenáře Zábavné vědy, bude vyprávět o vlastnostech nenewtonských tekutin. Prosím o lásku a úctu. Slovo dostává Stas.

Kapalina se nachází všude ve světě kolem nás. Vlastnosti kapalin jsou každému známé a každá osoba, která s nimi přichází do styku, do té či oné míry, může předvídat, jak se jakákoli kapalina zachová v konkrétní situaci.

Kapaliny, jejichž vlastnosti jsme zvyklí sledovat při každodenním používání, se řídí Newtonovým zákonem, tzv. Newtonovský.

Newtonská tekutina, viskózní tekutina, tekutina, která se ve svém toku řídí Newtonovým zákonem o viskózním tření .

Na konci 17. století si velký fyzik Newton všiml, že je mnohem těžší veslovat rychle, než když to děláte pomalu. A pak formuloval zákon, podle kterého se viskozita kapaliny zvyšuje úměrně síle, kterou na ni působí.

nepodléhají zákonům běžných kapalin, tyto kapaliny při působení fyzikální síly mění svou hustotu a viskozitu, a to nejen mechanickým působením, ale i zvukové vlny... Čím silnější je účinek na běžnou kapalinu, tím rychleji poteče a změní svůj tvar. Působíme-li na nenewtonskou kapalinu mechanickým úsilím, získáme zcela jiný efekt, kapalina začne nabývat vlastností pevné látky a chovat se jako pevná látka, vazba mezi molekulami kapaliny se bude zvětšovat se vzrůstající silou dopadu na kapalinu. Viskozita nenewtonských kapalin se zvyšuje s klesající rychlostí průtoku kapaliny. Obvykle jsou takové kapaliny vysoce heterogenní a sestávají z velkých molekul, které tvoří složité prostorové struktury.

Ke studiu tohoto zajímavého tématu mě přivedla návštěva populárně-naučné výstavy Touch Science, kde byl jeden z experimentů věnován nenewtonským kapalinám. Experiment na mě udělal velký dojem a chtěl jsem se dozvědět více o úžasných vlastnostech kapalin, které odporují fyzikálním zákonům.

Doma jsem si stihl nejen zopakovat, co jsem viděl, ale i podrobněji nastudovat tento fenomén, proveďte spoustu dalších experimentů a vymyslete vlastní způsoby použití této kapaliny.

Jeden z experimentů, které jsem provedl, je se škrobovou vodou.

Pevná kapalina.

Vzal jsem stejné díly škrobu a vody, promíchal jsem až do homogenního viskózního stavu. Poté jsem dostal směs podobnou zakysané smetaně.

Rozdíl mezi touto směsí a běžnou kapalinou je ale v tom, že může být zároveň pevná i kapalná. Při plynulém dopadu je směs tekutá, a když ji vezmete do ruky a silou zmáčknete, můžete z ní udělat hrudku, „sněhovou kouli“, která okamžitě „roztaje“.


Výstup: Je-li tato kapalina ovlivňována silou, získává vlastnosti pevné látky.

Po této tekutině se dá i běhat, ale pokud akci zpomalíte, pak se člověk okamžitě ponoří do tekutiny.

Vlastnosti této kapaliny se brzy plánují využít k provizorním opravám silničních jam.

Co se stane s nenewtonskými kapalinami?

Částice škrobu ve vodě bobtnají a vytvářejí se kontakty ve formě náhodně protkaných molekul.

Tyto silné vazby se nazývají sítě. Při prudkém nárazu pevné vazby brání molekulám v pohybu a systém reaguje na vnější náraz jako elastická pružina. Při pomalém dopadu se ozubená kola stihnou natáhnout a rozmotat. Síťka se rozbije a molekuly se rozptýlí.

Mladí vědci, drazí rodiče, drazí prarodiče. Dnes vám Stas ukázal a řekl vám o neobvyklé kapalině, která má úžasné vlastnosti a lze ji nazvat „pevnou kapalinou“. Líbilo se ti to? Poté přejděte do sekce "Experimenty". Najdete tam zkušenosti, triky a experimenty podle svých představ. Takové, které si můžete udělat doma a překvapit každého. A pro vás a vaše děti máme novou rubriku „PocheMuk“. V něm odpovídáme na ty nejzajímavější záludnosti a záludnosti vědecké problémy- napište nám.

Moc se těším na komentáře a fotky pokusů!

Váš Stas

Pojď do mé laboratoře!

Newtonská tekutina Je zvláštní, krajně nepochopitelná a úžasná látka. Záhada takové kapaliny spočívá v tom, že při silném působení odolává jako pevná látka, zároveň při pomalém získávání kapalných vlastností.

Obecně by bylo správné nazvat takovou kapalinu nenewtonské, neboť na rozdíl od homogenního newtonského má nehomogenní strukturu a skládá se z velkých molekul.

Takže, newtonovské fluidum: jak z toho udělat zajímavou zábavu?

  1. Abyste viděli úžasné vlastnosti newtonské tekutiny, potřebujete smíchejte škrob (250 g) a vodu (100 g) v hlubokém talíři;
  2. Ingredience je nutné míchat, dokud nevznikne homogenní hmota.
  3. Poté můžete zkusit z výsledné tekutiny uvalit malou kuličku. V takovém případě, pokud budete míč kutálet velmi rychle, pak bude těžší a silnější. Pokud přestanete koulet takovou kouli, pak se vám roztáhne po ruce.
  4. Pokud jemně ponoříte prst do newtonské tekutiny, vstoupí do ní bez odporu, ale pokud jej prudce udeříte pěstí do jejího povrchu, setká se s pevným odrazem.
  5. Pokud se taková směs naleje na tác a položí na reproduktor, ze kterého se pouští hlasitá hudba, pomůže to, aby se povrch hmoty začal pohybovat nerovnoměrně, jako by tančil. Pokud k tomu přidáte potravinářské barvy různých barev, můžete vidět tanec barevných trubiček v podobě červů.

Mimo jiné pro děti můžete udělat zajímavé vícebarevné chytrá plastelína... Chcete-li to provést, musíte vzít:

  1. PVA lepidlo;
  2. Potravinářské barvivo různých barev;
  3. Tetrabarát sodný.

Příprava:

  • Nalijte PVA lepidlo (100 gramů) do hluboké misky;
  • Poté je třeba přidat potravinářské barvivo a vše promíchat;
  • Poté je třeba přidat tetrabarát sodný a promíchat, dokud nevznikne hustá homogenní hmota.

Pro radost dětí můžete připravit i barevné gumový sliz, která má vlastnosti newtonské tekutiny.

To vyžaduje:

  1. PVA lepidlo - ¼ skla;
  2. Voda - ¼ skla;
  3. Potravinářské barvivo;
  4. Tekutý škrob - 1/3 šálku

Příprava:

  1. Nalijte tekutý škrob do malého sáčku;
  2. Pak tam nalijte trochu barviva;
  3. Poté musíte přidat lepidlo PVA;
  4. Důkladně promíchejte a hotový sliz vyjměte ze sáčku.

Nyní víme, jak vyrobit newtonovskou tekutinu a vytvořit z ní různé zázraky.

Co jsou to nenewtonské tekutiny? Příklady se jistě najdou i ve vaší ledničce, ale za nejzřetelnější příklad vědeckého zázraku se považuje tekutý i pevný zároveň díky suspendovaným (suspendovaným) částicím.

O viskozitě

Sir tvrdil, že viskozita nebo odpor tekutiny vůči toku závisí na teplotě. Voda se tedy může například vlivem topných nebo chladicích prvků přesně proměnit v led a zpět. Některé látky, které ve světě existují, však mění svou viskozitu spíše použitím síly než změnou teploty. Zajímavostí je, že mezi nenewtonské tekutiny je řazena všudypřítomná rajčatová omáčka, která pod podmínkou delšího míchání zřídne. Smetana naopak při šlehání zhoustne. Těmto látkám nezáleží na teplotě – viskozita nenewtonských kapalin se mění v důsledku fyzikálního dopadu.

Experiment

Pro ty, kteří se zajímají o aplikovanou vědu nebo prostě chtějí své hosty a přátele ohromit neuvěřitelně jednoduchým a zároveň úžasně fascinujícím vědeckým experimentem, byl vytvořen speciální recept na roztok koloidního škrobu. Pravá nenewtonská tekutina, vyrobená vlastníma rukama doslova ze dvou obyčejných kulinářských surovin, ohromí svou konzistencí školáky i studenty. Stačí škrob a čistá voda a konečným výsledkem je jedinečná látka, která je kapalná i pevná zároveň.

Recept

  • Umístěte asi čtvrtinu sáčku kukuřičného škrobu do čisté misky a pomalu přidávejte asi půl sklenice vody. Vlez do cesty. Někdy je výhodnější připravit roztok koloidního škrobu přímo ručně.
  • Pokračujte v přidávání škrobu a vody po malých dávkách, dokud nebudete mít konzistenci podobnou medu. Toto je budoucí nenewtonská tekutina. Jak to udělat homogenní, když všechny pokusy o rovnoměrné míchání skončí neúspěchem? Neboj se; jen tomu procesu věnujte trochu času. Výsledkem je, že na jedno balení kukuřičného škrobu pravděpodobně použijete jednu až dvě sklenice vody. Vezměte prosím na vědomí, že hmota se stává hustší, když do ní přidáváte více a více prášku.
  • Výslednou hmotu nalijte do pánve nebo pekáče. Podívejte se blíže na jeho neobvyklou konzistenci, když se „pevná“ tekutina slévá dolů. Hmotu míchejte v kruhu ukazováčkem – nejprve pomalu, pak rychleji a rychleji, dokud nebudete mít úžasnou nenewtonskou tekutinu.

Experimenty

Jak za účelem vědeckého poznání, tak jen pro zábavu si můžete vyzkoušet následující experimenty:

  • Přejíždějte prstem po povrchu výsledné sraženiny. Všimli jste si něčeho?
  • Ponořte celou ruku do tajemné hmoty a zkuste ji prsty zmáčknout a vytáhnout z nádobky.
  • Zkuste hmotu válet v dlaních, abyste vytvořili kouli.
  • Sraženinu můžete dokonce vší silou plácnout dlaní. Přítomní diváci se pravděpodobně rozprchnou do stran, očekávají však, že budou postříkáni škrobovým roztokem neobvyklá látka zůstane v nádobě. (Pokud jste samozřejmě nelitovali škrobu.)
  • Velkolepý experiment nabízejí videoblogeři. K tomu budete potřebovat hudební reproduktor, který by měl být pečlivě pokryt silnou přilnavou fólií v několika vrstvách. Nalijte roztok na pásku a pusťte hudbu při vysoké hlasitosti. Budete moci pozorovat ohromující vizuální efekty možné pouze s použitím této jedinečné kompozice.

Pokud provádíte experiment v laboratoři před školáky nebo studenty, zeptejte se jich, proč se takto chová nenewtonská tekutina. Z jakého důvodu se zdá pevný, když ho zmáčknete v ruce, ale teče jako sirup, když uvolníte prsty? Na konci diskuze můžete sraženinu zabalit do velkého igelitového sáčku se zapínáním na zip a uložit ji do příště. Bude pro vás užitečné demonstrovat vlastnosti zavěšení.

Záhada látky

Proč se roztok koloidního škrobu v některých případech chová jako pevná látka a v jiných jako kapalina? Ve skutečnosti jste vytvořili skutečnou nenewtonskou tekutinu - látku, která odmítá zákon viskozity.

Newton věřil, že viskozita látky se mění pouze v důsledku zvýšení nebo snížení teploty. Například motorový olej při zahřátí snadno teče a při ochlazení zhoustne. Přísně vzato, nenewtonské tekutiny také dodržují tento fyzikální zákon, ale jejich viskozita může být také změněna působením síly nebo tlaku. Když zmáčknete koloidní sraženinu v ruce, její hustota se výrazně zvýší a (i dočasně) se zdá, že se změní v pevnou látku. Když otevřete pěst, koloidní roztok teče jako normální kapalina.

Co je třeba mít na paměti

Ironií je, že je nemožné míchat škrob s vodou navždy, protože výsledkem experimentu není homogenní látka, ale suspenze. V průběhu času se částice prášku odlupují od molekul vody a shromažďují se do tvrdé hrudky na dně vašeho plastového sáčku. Z tohoto důvodu taková nenewtonská kapalina okamžitě ucpe kanalizační potrubí, pokud ji jen vezmete a nalijete do dřezu. Nikdy ji nevylévejte do odpadu – je lepší ji zabalit do sáčku a jen vyhodit do odpadkového koše.

Pozornost! Administrátorský web nenese odpovědnost za obsah metodologický vývoj, jakož i za soulad s vývojem federálního státního vzdělávacího standardu.

  • Účastnice: Verkholamová Maria Denisovna
  • Vedoucí: Andreeva Julia Vjačeslavovna
Účelem práce je zjistit vlastnosti a některé vlastnosti nenewtonských kapalin a možnosti jejich využití při opravách dálnic.

Úvod

Tato práce je věnována neobvyklým tekutinám, těm, které nejsou studovány školní kurzy fyziky a chemie, které však mají úžasné vlastnosti a jsou velmi zajímavé ke studiu: při nízkém zatížení jsou měkké, tekuté a elastické a při vysokém zatížení se stávají tvrdými a velmi elastickými. Tyto tekutiny se nazývají nenewtonské.

První práce o vlastnostech nenewtonských tekutin se objevily v 50. letech minulého století a souvisely s rozvojem biomechaniky, bioniky, biohydrodynamiky a potravinářského průmyslu. Široké používání polymerních a nanopráškových přísad v řadě aplikovaných problémů v hydrodynamice nyní znovu probudilo zájem o nenewtonské kapaliny.

Nejznámějšími příklady takových tekutin jsou: tekutý písek a z ruských pohádek známé mléčné řeky - želé banky. Rychlý písek je nebezpečný, protože dokáže nasát vše, co se do něj dostane. Postavte se na takový písek - a začnete se v něm topit, ale pokud rychle narazíte na pohyblivý písek, okamžitě ztvrdne. (Obrázek 5)

Rýže. 5. Pohyblivý písek

Vlastnosti nenewtonských tekutin studuje nauka reologie (z řeckého rheos-tok, proudění a logos-slovo, nauka), nauka studující deformační vlastnosti skutečných těles, nauka o deformacích a tekutosti hmoty. . Reologie uvažuje mechanická napětí působící na těleso a deformace, které způsobují. Termín „reologie“ zavedl americký chemik Eugene Bingham. Oficiálně byl termín "reologie" přijat na 3. sympoziu o plasticitě (1929, USA), ale určitá ustanovení reologie byla stanovena dlouho předtím.

Reologie je úzce propojena s mechanikou tekutin, teoriemi elasticity, plasticity a tečení. Reologie vycházela ze zákonů Isaaca Newtona o odporu vůči pohybu viskózní tekutiny, Navierových - Stokesových rovnic pro pohyb nestlačitelné viskózní tekutiny, práce J. Maxwella, W. Thomsona aj. Významné příspěvky přinesli např. Ruští vědci: DI Mendělejev, NP Petrov, F.N.Shvedov a sovětští vědci P.A.Rebinder, M.P. Volarovich, G.V. Vinogradov a další.

Na problémy s reologií je třeba narazit v technologii při vývoji technologie pro různé výrobní procesy, při konstrukčních pracích a konstrukčních výpočtech týkajících se široké škály materiálů: kovů (zejména když vysoké teploty), kompozitní materiály, polymerní systémy (taveniny, roztoky, kompozitní materiály, pryž), ropné produkty, jíly a jiné zeminy, horniny, stavební materiály (beton, bitumen, silikáty atd.), disperzní systémy (pěny, emulze, suspenze, prášky, pasty) potraviny atd. Pododdělení reologie - bioreologie studuje mechanické vlastnosti biologických tekutin (krev, synoviální, pleurální tekutiny) a deformační vlastnosti svalů, cév u lidí a zvířat.

Z praktického hlediska je tedy výzkum v této oblasti relevantní a naprosto nezbytný. Z čistě vědeckého hlediska je studium nenewtonských tekutin také velmi zajímavé a relevantní, protože i v jednoduchých tocích mohou vykazovat chování, které je kvalitativně odlišné od chování běžné newtonské tekutiny.

Problematická otázka autora práce: může se auto pohybovat a člověk chodit po hladině jakékoli kapaliny?

Výzkumná hypotéza: existují kapaliny, po jejichž povrchu může člověk chodit, řídit auto, ale jedná se o kapaliny se zvláštními vlastnostmi, vlastnosti těchto kapalin se liší od vlastností např. vody.

účel práce- zjistit vlastnosti a některé vlastnosti nenewtonských kapalin a možnosti jejich využití při opravě vozovek.

Cíle výzkumu:

  1. Najděte definice a popisy nenewtonských tekutin v informačních zdrojích.
  2. Proveďte průzkum mezi staršími školáky a dospělými s cílem zjistit povědomí o nenewtonských tekutinách.
  3. Popište vlastnosti nenewtonských tekutin a jejich odlišnosti od newtonských tekutin.
  4. Zjistěte klasifikaci nenewtonských kapalin.
  5. Najděte a vytvořte nenewtonské tekuté receptury.
  6. Proveďte experimentální studium některých vlastností nenewtonských tekutin pomocí fotografií.
  7. Zjistěte možnosti krátkodobého použití nenewtonských kapalin při opravě vozovek

Metody výzkumu:

  1. Teoretický výzkum s využitím relevantní literatury a internetových zdrojů.
  2. Srovnávací analýza mechanických vlastností newtonských a nenewtonských kapalin.
  3. Experimentální studie vlastností nenewtonských kapalin: vodný roztok škrobu, handgam ("chytrá plastelína") atd.
  4. Vizuální pozorování následovaná fotografiemi.
  5. Dotazování.

Relevantnost Práce spočívá v tom, že výzkum vlastností nenewtonské tekutiny je zanedbatelný a látku obsahující vlastnosti tekutiny i pevné látky lze využít v mnoha oblastech života - a v té hlavní - řešení cest problémy.

Část 1

1.1. Charakteristika kapalného skupenství

Kapalný stav je obvykle považován za přechodný mezi pevnou látkou a plynem: plyn si nezachovává objem ani tvar, zatímco pevná látka si zachovává obojí.

Kapalina je stav látky, ve kterém může mechanicky zvnějšku donekonečna měnit svůj tvar i velmi malý, přičemž si prakticky zachovává svůj objem. Kapalina nemá tak pevné vnitřní spojení mezi částicemi jako pevné těleso, aby odolávalo působení vnějších sil (například gravitace), proto stejná gravitace nerozmazává ocelový nůž o stůl, ale vtlačí vodu do sklenice , donutil ji vzít jeho podobu. Tato vlastnost kapalin se nazývá tekutost.

Další důležitou vlastností kapalin, která je činí podobnými plynům, je viskozita. Je definována jako schopnost odolávat pohybu jedné části kapaliny vůči druhé.

Když se sousední vrstvy částic (molekul), které tvoří kapalinu, vzájemně pohybují, nevyhnutelně dochází ke srážce částic a vznikají síly, které zpomalují jejich uspořádaný pohyb. V čem Kinetická energie uspořádaný pohyb částic se mění v teplo - teplo se uvolňuje, což je obdobné jako výsledek působení suchých třecích sil při zahřívání třecích ploch. Proto byla viskozita také nazývána analogicky s pevnými látkami také síly viskózního tření.

Viditelnost působení viskózních třecích sil je dobře vidět při míchání např. vody v hrnci. Mícháním lžičkou po kruhu o malém poloměru ve středu pánve si všimneme, že se nejprve otáčí pouze střed vodní čočky a pak se postupně začnou zapojovat další a další vnější vrstvy kapaliny. rotace - a jsou zapojeny v důsledku tření vrstev molekul vody o sebe.přítel. Čím vyšší je viskozita míchané kapaliny, tím více sil je třeba vyvinout na lžíci a tím snadněji se vnější vrstvy zapojí do pohybu.

Všechny kapaliny mají viskozitu (kromě supratekuté frakce kapalného helia) a ta je u všech jiná. Zkapalněné plyny jsou velmi tekuté, kapaliny s pokojová teplota také ne příliš viskózní. Nejvyšší viskozitu mají komplexní kapalné systémy - gely, emulze nebo suspenze, včetně kapalin s extrémně vysokou viskozitou - skla a amorfní pevné látky. Viskozita skel je tak vysoká, že při mechanickém působení na sklo bude mít spíše rozbitou strukturu, než aby vrstvy svých molekul vůči sobě přemístilo – a místo roztečení prasklo. Přitom, když se podíváte například na staré okenní sklo, které je staré již několik (minimálně pět) desítek let, všimnete si, že nad a pod sklem má nestejnou tloušťku. To naznačuje, že sklo stále teče, ale monstrózně pomalu.

Všechny viskózní kapaliny se dělí na newtonské a nenewtonské.

1.2. Newtonské a nenewtonské tekutiny

Jestliže v pohybující se tekutině závisí její viskozita pouze na její povaze a teplotě a nezávisí na gradientu rychlosti (gradient je směr nejrychlejšího nárůstu o určité hodnotě, v v tomto případě rychlost), pak se takové tekutiny nazývají newtonské. Skutečné tekutiny mohou být newtonské a nenewtonské. V newtonských tekutinách, když se jedna vrstva tekutiny pohybuje vzhledem k druhé, je velikost smykového napětí úměrná smykové rychlosti. V relativním klidu jsou tato napětí rovna nule.

Tento vzorec zavedl Newton v roce 1686, proto se tyto kapaliny (voda, olej, benzín, petrolej, glycerin atd.) nazývají newtonské kapaliny. Nenewtonské tekutiny nemají velkou pohyblivost a liší se od newtonských tekutin přítomností smykových napětí (vnitřního tření) v klidu.

Většina kapalin, se kterými jsme zvyklí zacházet, jsou newtonovské: voda, vodné roztoky, ropné produkty, aceton atd. Při laminárním smykovém proudění tekutiny mezi dvěma planparalelními deskami, z nichž horní se pohybuje konstantní rychlostí proti silou F a spodní je stacionární, vrstvy tekutiny se pohybují různými rychlostmi - od maxima na horní desce k nule na spodní. Proudění newtonských tekutin se řídí Newton-Petrovovou rovnicí, tedy tangenciálním napětím a gradientem rychlosti jsou lineárně závislé a koeficient úměrnosti η mezi těmito veličinami je známý jako viskozita:

τ = F / S,

kde τ je smykové napětí (třecí napětí); F- síla vnitřního tření; S- povrch kontaktních vrstev kapaliny.

Když je kapalina nehomogenní, skládá se například z velkých molekul, které tvoří složité prostorové struktury, pak při jejím proudění závisí viskozita na gradientu rychlosti. Takové tekutiny se nazývají nenewtonské. V SI je viskozita η vyjádřena v Pa · s. Pro plyny je η obvykle od 1 do 100 μPa · s, pro vodu při 20 °C 1 mPa · s, pro většinu nízkomolekulárních kapalin do 10 Pa

Nenewtonské tekutiny odporují zákonům běžných tekutin. Tyto kapaliny mění svou hustotu a viskozitu působením fyzické síly, a to nejen mechanickým působením, ale dokonce i zvukovými vlnami.

Působíte-li mechanicky na běžnou kapalinu, pak čím větší náraz na ni, tím větší posun mezi rovinami kapaliny, jinými slovy, čím silnější je účinek na kapalinu, tím rychleji poteče a změní svůj tvar.

Působíme-li na nenewtonskou kapalinu mechanickými silami, získáme zcela jiný efekt, kapalina začne nabývat vlastností pevných látek a chovat se jako pevná látka, spojení mezi molekulami kapaliny se zvětší zvýšení síly působení na něj, v důsledku toho budeme čelit fyzickým potížím s posunem vrstev takových kapalin. Viskozita nenewtonských kapalin se zvyšuje s klesající rychlostí průtoku kapaliny.

Například, vodní roztokškrob se chová odlišně v závislosti na expozici.

Působí-li na něj prudce, silně, rychle, vykazuje vlastnosti blízké pevným látkám (obr. 1), při pomalém působení se stává kapalinou, teče (obr. 2).


Rýže. 1. Rychlé působení na škrob


Rýže. 2. Pomalé působení na škrob

1.3. Klasifikace nenewtonských kapalin

Známé klasifikace nenewtonských kapalin jsou založeny na empirických rovnicích spojujících viskozitu a rychlost deformace. Tyto rovnice se používají k sestavení křivek proudění tekutiny (obr. 3)


Rýže. 3 křivky proudění kapalin:
1 - nelineární viskoplastická, 2 - viskoplastická, 3 - pseudoplastická, 4 - newtonská, 5 - dilatační

Křivka proudění newtonovských tekutin, tedy graf závislosti smykového napětí na gradientu rychlosti, je podle Newton-Petrovovy rovnice přímka vycházející z počátku (na obrázku 3 čára č. 4). Sklon této přímky je úměrný viskozitě newtonské kapaliny.

Nenewtonské neboli anomální se nazývají kapaliny, jejichž proudění se neřídí Newtonovým zákonem, smyková napětí jsou pro ně vyjádřena složitějšími závislostmi než Newton-Petrovova rovnice. Takových, z pohledu hydrauliky nenormálních, kapalin je spousta. Jsou široce používány v ropném, chemickém, rafinérském a jiném průmyslu.

Nenewtonské kapaliny se dělí do tří hlavních skupin:

  • nenewtonské viskózní kapaliny;
  • nenewtonské nestabilní tekutiny;
  • nenewtonské viskoelastické kapaliny.

Do první skupiny patří viskózní (neboli stacionární) nenewtonské kapaliny, jejichž vlastnosti nezávisí na čase. Podle typu průtokových křivek se rozlišují následující tekutiny této skupiny: Binghamské (neboli viskoplastické), pseudoplastické a dilatantní.

Binghamské nebo viskoplastické kapaliny (křivka 2) začnou proudit až po působení napětí, které překročí mez kluzu. V tomto případě je struktura plastické tekutiny zničena a chová se jako newtonovská. Mezi kapaliny Bingham patří husté suspenze (různé pasty a kaly, olejové barvy atd.).

Pseudoplastické tekutiny (křivka 3) jsou nejrozšířenější v uvažované skupině nenewtonských tekutin. Patří sem roztoky polymerů, celulózy a suspenze s asymetrickou strukturou částic atd.

Pseudoplastické tekutiny, stejně jako newtonské, začínají proudit při nejmenších hodnotách τ (třecí napětí).

Dilatantní kapaliny (křivka 5) obsahují kapalnou fázi v množství, které umožňuje vyplnit v klidovém stavu nebo při velmi pomalém proudění dutin mezi částicemi pevné fáze. Se zvyšující se rychlostí se částice pevné fáze vůči sobě pohybují rychleji, třecí síly mezi částicemi se zvyšují a zdánlivá viskozita se zvyšuje. Mezi dilatační kapaliny patří suspenze škrobu, křemičitanu draselného, ​​různých lepidel atd.

Nelineární viskoplastické kapaliny (křivka 1) se začnou pohybovat, jakmile smykové napětí překročí statické napětí. Dále, s rostoucím gradientem rychlosti, třecí napětí v tekutině nelineárně narůstá na hodnotu, při které končí destrukce struktury. Poté se chování tekutiny neliší od newtonovského. Do této skupiny tekutin patří krev.

Druhá skupina nestálých tekutin zahrnuje nenewtonské tekutiny, jejichž charakteristiky závisí na čase. Tyto kapaliny se dále dělí na tixotropní (jejichž zjevná viskozita s časem klesá) a rheopektické (jejichž zjevná viskozita s časem roste).

Tixotropní kapaliny zahrnují mnoho barviv, některé potravinářské výrobky (sražené mléko, kefír, kečupová omáčka, želatinové roztoky, majonéza, hořčice, med), mýdlo na holení atd., jejichž viskozita se při třepání snižuje.

Suspenze bentonitových jílů a některé koloidní roztoky mohou být označovány jako rheopektické tekutiny.

Do třetí skupiny patří viskoelastické nebo maxwellovské tekutiny. Zdánlivá viskozita těchto kapalin klesá vlivem pnutí, po jejichž odstranění kapaliny částečně získají svůj tvar. Tento typ kapaliny zahrnuje některé pryskyřice a pasty pastovité konzistence.

1.4. Aplikace nenewtonských kapalin

Ve vojenské výrobě

Tyto tekutiny jsou ve světě velmi oblíbené. Ve Spojených státech na základě těchto tekutin začalo ministerstvo obrany vyrábět neprůstřelné vesty pro armádu (příloha obr. 4). Tyto neprůstřelné vesty jsou svými vlastnostmi lepší než ty obvyklé, protože jsou lehčí a snadněji se vyrábí. Materiál, ze kterého je neprůstřelná vesty vyrobena, se nazývá d3o. Materiál d3o, vyvinutý stejnojmennou americkou společností, patří k dilatantním nenewtonským kapalinám. Ve skutečnosti se d3o chová jako dobře vychlazený karamel, jen je ještě citlivější na stres.


Rýže. 4 Neprůstřelné vesty od d3o

Pokud d3o stisknete jemně, tedy s mírným zvýšením lisovací síly, je elastický jako latex, dají se z něj válet kuličky a párky jako z plastelíny. Při prudkém nárůstu gradientu rychlosti deformace však není možné kompenzovat tření mezi částicemi a v souladu s tím zajistit jejich vzájemný drift, v důsledku čehož se v d3o vytvoří okamžitá tuhá struktura. v důsledku již běžného suchého tření mezi částicemi - to je to, co poskytuje náhlou změnu viskozity, zjevné tuhnutí materiálu. Jakmile je takto ostré zatížení odstraněno, d3o se uvolní a bude opět měkké a elastické.

Naposledy tento momentúspěšný projekt "tekuté zbroje" byl vytvořen britskou pobočkou BAE Systems. Jejich složení Shear Thickening Liquid (pracovní název neprůstřelný krém) se objevilo v roce 2010 a plánuje se použití nikoli samostatně, ale v kombinaci s kevlarovými pláty. BAE Systems ze zřejmých důvodů nezveřejňuje složení své nenewtonské kapaliny pro neprůstřelné vesty, nicméně se znalostí fyziky lze vyvodit určité závěry. S největší pravděpodobností se jedná o vodný roztok nějaké látky (látek), která má nejvhodnější viskozitní charakteristiky pro silné nárazy. V projektu Shear Thickening Liquid došlo konečně k vytvoření plnohodnotného neprůstřelného vesty, byť zkušeného. Při stejné tloušťce jako 30vrstvá kevlarová vesta má „tekutá“ vesta třikrát menší počet vrstev syntetické tkaniny a poloviční hmotnost. Z hlediska ochrany má STL Gel Liquid Body Armor téměř stejné ochranné vlastnosti jako 30vrstvý kevlar. Rozdíl v počtu plátků látky je kompenzován speciálními polymerovými sáčky s nenewtonským gelem. V roce 2010 začaly testy hotového prototypu neprůstřelné vesty na gelové bázi. K tomu byly vypáleny experimentální a kontrolní vzorky. 9 mm kulky náboje 9x19 mm Luger byly vypalovány ze speciálního pneumatického děla s úsťovou rychlostí asi 300 m/s, což je do jisté míry podobné většině typů střelných zbraní komorovaných pro tento náboj. Ochranné charakteristiky experimentální a kontrolní neprůstřelné vesty byly přibližně stejné.

V automobilovém průmyslu

Nenewtonské kapaliny se používají také v automobilovém průmyslu. Syntetické motorové oleje na bázi nenewtonských kapalin snižují svou viskozitu několik desítekkrát se zvýšením otáček motoru a zároveň snižují tření v motorech.

Magnetické jemně rozptýlené nenewtonské kapaliny, další zástupce tohoto zázraku přírody. Skládají se z jemných krystalů magnetitu suspendovaných v syntetickém oleji, když jsou vystaveny takové kapalině magnetické pole kapalina zvýší svou hustotu 100krát, ale stále zůstává pružná. Tyto kapaliny se používají v nejnovější technologie na odpisy některých prvků dopravních zařízení nebo mechanických strojů.

Reologické studie umožňují řešit aplikované hydrodynamické problémy - transport nenewtonských tekutin potrubím, proudění polymerů, potravinářských výrobků, stavební materiál ve zpracovatelských zařízeních, pohyb vrtných kapalin ve formacích atd.

Použití vysoce disperzních adsorbentů, např. diatomitů, s látkami adsorbovanými na jejich povrchu a schopnými tvořit vodíkové vazby s adsorbenty (alkoholy, vyšší mastné kyseliny aminy). Suspenze se používají jako pracovní kapalina v hydraulických systémech, ve formě tenkých vrstev v brzdových a jiných zařízeních vč. v převodovkách, generátorech torzních vibrací atd.

V ropném průmyslu

Prakticky zajímavé je také využití specifických reologických účinků. Takže malé polymerní přísady do vody a ropných produktů dávají kapalině nové reologické vlastnosti, díky nimž je hydraulický odpor v turbulentním proudění výrazně snížen (Tomsův efekt).

Nenewtonské kapaliny mají řadu vlastností. Mají například paměť. Jde o to, že čas typický pro přeskupení dlouhých molekul může překročit čas pro pozorování toku kapaliny. Tok se nestihne přebudovat, dochází k lag efektu, což znamená paměťový efekt. Úžasné vlastnosti nenewtonských kapalin. Pohybující se v potrubí působí kapalina na povrch třecí síly, v důsledku čehož se kinetická energie přeměňuje na tepelnou energii. Proto je snížení třecí síly důležitým technickým problémem. Jak se ukázalo, přidání malého množství polymeru do kapaliny výrazně snižuje třecí sílu. Tento efekt se využívá při čerpání ropy dlouhými potrubími.

V plachtění a hašení požárů

Již 20 ppm polyoxu (polymer s dlouhým řetězcem) může snížit třecí sílu turbulentního proudění v potrubí o 50 %! V 50. letech začali američtí hasiči přidávat do kapaliny vytékající z hadice polymerní přísady, přičemž délka proudu se prodloužila jedenapůlkrát. Polymerní přísady v mazivech zvyšují zdroje obráběcích strojů a zařízení. Rychlost plavidla je možné zvýšit vstřikováním malého množství roztoku polymeru blízko jeho přídě. Existuje hypotéza, že delfíni a další obyvatelé moří a oceánů také „využívají“ Tomsův efekt ke snížení hydrodynamického odporu.

V kosmetologii

Aby kosmetika přilnula k pokožce, vyrábí se viskózní, ať už jde o tekutý základ, lesk na rty, oční linky, řasenku, pleťové vody nebo laky na nehty. Viskozita se pro každý produkt volí individuálně v závislosti na účelu, pro který je určen. Například lesk na rty musí být dostatečně viskózní, aby na rtech vydržel dlouho, ale ne příliš viskózní, jinak ten, kdo ho používá, bude na rtech nepříjemně cítit něco lepkavého. Masová výroba kosmetiky využívá speciální látky zvané modifikátory viskozity. V domácí kosmetice se ke stejným účelům používají různé oleje a vosky.

U sprchových gelů je viskozita upravena tak, aby na těle zůstaly dostatečně dlouho na smytí nečistot, ne však déle, než je nutné, jinak se člověk bude cítit znovu špinavý. Obvykle viskozita hotového výrobku kosmetický přípravek uměle pozměněno přidáním modifikátorů viskozity.

Nejvyšší viskozitu mají masti. Viskozita krémů je nižší a pleťové vody jsou méně viskózní. Pleťové vody díky tomu leží na pokožce v tenčí vrstvě než masti a krémy a působí na pokožku osvěžujícím způsobem. Oproti viskóznější kosmetice se příjemně používají i v létě, i když je potřeba je silněji roztírat a častěji znovu nanášet, jelikož na pleti dlouho nevydrží. Krémy a masti zůstávají na pokožce déle než pleťové vody a více ji hydratují. Jsou užitečné zejména v zimě, kdy je ve vzduchu méně vlhkosti. V chladném počasí, kdy pokožka vysychá a praská, jsou velmi nápomocné přípravky, jako je například tělový olej - to je něco mezi mastí a krémem. Masti se vstřebávají mnohem déle a pokožka po nich zůstává mastná, ale na těle zůstávají mnohem déle. Proto se často používají v lékařství.

To, zda se kupujícímu líbila viskozita kosmetického produktu, často závisí na tom, zda si tento produkt v budoucnu vybere. To je důvod, proč výrobci kosmetiky vynakládají velké úsilí, aby získali optimální viskozitu, kterou by většina kupujících měla ráda. Stejný výrobce často vyrábí výrobek pro stejný účel, jako je sprchový gel, v různých příchutích a viskozitách, aby si zákazníci mohli vybrat. Při výrobě je přísně dodržována receptura, aby byly splněny normy viskozity

Ve vaření

Aby se zlepšila prezentace pokrmů, aby jídlo bylo chutnější a aby bylo snazší jíst, používají se při vaření viskózní potraviny. Výrobky s vysokou viskozitou, jako jsou omáčky, jsou velmi vhodné pro natírání na jiné potraviny, jako je chléb. Používají se také k držení potravinových vrstev na místě. V sendviči se pro tyto účely používá máslo, margarín nebo majonéza - sýr, maso, ryby nebo zelenina pak z chleba nekloužou. Saláty, zejména vícevrstvé, také často používají majonézu a jiné viskózní omáčky, aby tyto saláty udržely tvar. Nejvíc slavné příklady takové saláty - sledě pod kožichem a Olivier. Pokud místo majonézy nebo jiné viskózní omáčky použijete olivový olej, zelenina a další potraviny nebudou držet tvar. Viskózní výrobky se svou schopností držet tvar se používají i ke zdobení pokrmů. Například jogurt nebo majonéza na fotografii nejen zůstávají ve tvaru, který jim byl dán, ale také podporují ozdoby, které na ně byly umístěny. (obr. 6)


Rýže. 6. Med je nenewtonská kapalina

V lékařství

V medicíně je nutné umět určovat a kontrolovat viskozitu krve, neboť vysoká viskozita přispívá k řadě zdravotních problémů. Hustá a viskózní krev se ve srovnání s krví normální viskozity špatně pohybuje cévami, což omezuje přísun živin a kyslíku do orgánů a tkání a dokonce i do mozku. Pokud tkáně nedostávají dostatek kyslíku, odumírají, takže krev s vysokou viskozitou může poškodit tkáně i vnitřní orgány. Poškozují se nejen části těla, které potřebují nejvíce kyslíku, ale také ty části, do kterých se krev dostává nejdéle, tedy končetiny, zejména prsty na rukou a nohou. Například při omrzlinách se krev stává viskóznější, přenáší nedostatek kyslíku do paží a nohou, zejména tkáně prstů, a v těžkých případech dochází k odumírání tkáně.

2. Experimentální studium vlastností nenewtonských tekutin

2.1. Výsledky průzkumu

Za účelem objasnění rozšířenosti poznatků o existenci nenewtonských tekutin provedl autor práce průzkum mezi žáky 7.-11. ročníku, učiteli a zaměstnanci MBOU „SŠ č. 15“.

  1. Myslíte si, že člověk může chodit po vodní hladině?
  2. Může člověk chodit po povrchu jakékoli jiné kapaliny?
  3. Pokud ano, o jaký druh kapaliny se jedná?

Žádný z respondentů neuvedl nenewtonské tekutiny, což svědčí o nedostatku znalostí o tekutinách tohoto druhu.

Intuitivně ale 50 % dotázaných školáků pochopilo, že takové tekutiny existují a 78 % dotázaných si je jisto, že se nejedná o vodu. 17 % dotázaných studentů je velmi blízko pochopení toho, jak se člověk může pohybovat na povrchu kapaliny a co by to mělo být: pohybovat se velmi rychle a kapalina musí být velmi viskózní. A nečekaně se ukázalo, že odpověď „želé“ je velmi blízko pravdě.

Výsledky dotazníkového šetření dospělých ukázaly zhruba stejný obrázek jako výsledky školáků. Většina dospělých respondentů si je jistá, že se po vodě a jiných tekutinách nedá chodit (73 % negativních odpovědí na 1 otázku a 60 % na druhou). 27 % předpokládá, že takové tekutiny existují: jsou to viskózní tekutiny s vysokou hustotou.

Výsledky průzkumu přesvědčivě ukázaly, že tato práce bude zajímat nejen školáky, ale i dospělé. S výsledky výzkumu plánuji hovořit na školním týdnu fyziky a matematiky.

2.2. Pokusy se škrobovým mlékem

Reagencie: bramborový škrob, voda.

Nádobí: hluboký hrnek, kovová tyč.

Pokrok

Škrob se nalil do šálku. Nalijte malé množství vody a promíchejte kovovou tyčinkou (skleněná tyčinka není vhodná kvůli křehkosti). Poměr škrobu k vodě je přibližně 1x1. Míchá se, dokud se nezíská homogenní kapalná hmota.

  1. Pomalu spouštěli prst do šálku, při zpětném pohybu zůstal pokrytý tekutinou.
  2. Ostře zasáhli kapalinu prstem, prst se zastavil přesně na povrchu roztoku, aniž by pronikl dovnitř. Čím rychleji a silněji se pokusíte prorazit horní „membránu“, tím větší odpor dostanete na oplátku. Pokud uděláte velkou nádrž a naplníte ji roztokem škrobu, můžete chodit po povrchu takové kapaliny!
  3. Pomalu ponořte palec a ukazováček do tekutiny, pak když je rychle zmáčknete, vytvoří se mezi prsty tvrdá boule. Není to škrob, který je zmrzlý, je to nenewtonská kapalina, která projevuje své vlastnosti.
  4. Ponořili jsme všechny prsty do kapaliny (nebylo to snadné, museli je ponořit pomalu) a pak prsty vytáhli z kelímku, prsty nešly vytáhnout z kapaliny, kapalina stoupá po prstech spolu s hrnkem!
  5. Přelévali jsme škrobový roztok z jednoho hrnku do druhého, při zvednutí výše jsme viděli, že se tekutina sype shora a zespodu ztvrdla, padala do hrudek, které se pak šířily!
  6. Na hladinu tekutiny položili dřevěné prkno, do kterého se volně zatloukl hřebík. Pokud by tento proces probíhal ve vodě, pak by se deska při dopadu potopila a nebylo by možné zatlouct hřebík.
  7. Válcování kuliček z vodného roztoku škrobu. Škrobový roztok byl nalit do ruky, leží v louži v dlani. Rychlými pohyby se z roztoku vykutálela kulička. Zatímco budeme kouli kutálet, v našich rukou bude pevná koule kapaliny a čím rychleji a silněji na ni působíme, tím hustší a tvrdší bude koule. Jakmile uvolníme ruce, míček, který byl do té doby pevný, se okamžitě roztáhne po ruce. To je způsobeno skutečností, že po ukončení expozice kapalina opět získá vlastnosti kapalné fáze.
  8. Zvukový efekt na škrobový roztok. Reproduktor byl umístěn vodorovně. Na výklenku reproduktoru byl umístěn plastový obal. Škrobový roztok byl nalit do prohlubně. Poslali jsme zvuk přes reproduktor. Pozorovali jsme: na hladkém povrchu kapaliny se objevily poruchy, které měnily svůj tvar a velikost v závislosti na hlasitosti a frekvenci zvuku.

Závěr ze série experimentů: viskozita škrobového mléka (nenewtonská kapalina) závisí na mechanických vlivech, včetně vibrací (zvuku). Čím vyšší je rychlost expozice, tím vyšší je viskozita.

2.3. Pozorování "efektu Kaye"

V roce 1963 provedl anglický inženýr Alan Kaye experimenty na bázi nenewtonských tekutin a pozoroval zajímavé jevy... Vědec si všiml, že pokud se kapalina nalije z malé výšky do stejné kapaliny nebo do kapaliny se stejnou hustotou a viskozitou, pak se pramínek v kapalině nerozpustí, ale jakoby se odrazí od sebe. Tento jev byl nazýván "Kaye efekt" (nebo "Kaye efekt").

Činidla: šampon v lahvičce.

Nádobí: hluboký široký hrnek, kovová deska.

Pokrok

  1. Kelímek jsme položili na rovnou plochu a nalili do něj šampon ve vrstvě 3 cm.
  2. Z lahvičky se šampon naléval do kalíšku tenkým proudem z výšky 20-25 cm od povrchu kalíšku. Když kapalina padala z výšky 20 cm dolů do podobné kapaliny, pozorovali jsme, že pramínek kapaliny padající dolů se začal odrážet od povrchu kapaliny pod ní. V místě, kde dopadá pramínek, se vytvoří malý tuberkul. Poté, co se pramínek odrazí, tuberkul zmizí. Účinek byl velmi krátký. Je známo, že tento jev je způsoben viskozitou kapaliny, ale přesné důvody jeho výskytu nejsou dosud jasné. Pro tento efekt bylo nalezeno několik vysvětlení.
    1) Skok v kapalině může být způsoben prudkou změnou viskozity proudu v okamžiku, kdy dopadne na hladinu kapaliny. Kapaliny, ve kterých je pozorován Kayův efekt, jsou tixotropní, to znamená, že jejich viskozita klesá působením smykové deformace. V klesajícím praménku je viskozita kapaliny poměrně vysoká. Když kapalina narazí na hrbolek na povrchu, prudká změna rychlosti vede k velkým smykovým deformacím a viskozita kapaliny klesá. Vzhledem k tomu, že kapalina je navíc elastická, pramínek se od tuberkulu odráží.
    2) Pramínek proniká dovnitř kapaliny v poháru a nese zásobu kinetické energie, a protože má kapalina vysokou hustotu a viskozitu a podle zákona zachování energie, musí kinetická energie přiváděná do vyváženého systému odejít někam a vystřelte stejný pramínek kapaliny.
    3) Proud kapaliny padající dolů nemůže proniknout povrchovým napětím horní vrstvy a odráží se do strany.
    Pokud pod pramínek vložíte kovovou destičku pod úhlem asi 45° a navlhčíte ji stejným šamponem, pak pramínek padající dolů spadne po nakloněné dráze a několikrát se od destičky odrazí.

2.4. Experimenty s "chytrou plastelínou" (nebo handgamem)

Reagencie: "chytrá plastelína" (nebo "handgam").

Vybavení: plastová nebo kovová trubka, kladivo.

Pokrok

  1. Rozkládání figurek z "chytré plastelíny". Z „chytré plastelíny“ (neboli handgam) byla vytvarována figurka. Sledovali jsme: figurka rychle „plave“, ztrácí svůj tvar a rozšiřuje se.
  2. Tekutost "chytré plastelíny". "Chytrá plastelína", pokud je držena v ruce, začne pomalu téci.
  3. Nabobtnání "chytré plastelíny". Může kapalina vystupující z trubice, kterou je protlačována, zvětšit svůj objem? To se u většiny tekutin neděje – průměr jejich paprsku na výstupu z trubice se rovná vnitřnímu průměru trubice. Výjimkou je však v tomto ohledu „chytrá plastelína“ nebo silikonový tmel. Plastelínu nacpali pevně do tuby (stříkačky), chvíli ji tam drželi a pak ji začali protlačovat trubičkou. Pozorováno: jakmile tmel „vylezl“ z tuby, jeho objem se znatelně zvětšil.Vysvětlení. Když viskózní elastická tekutina opustí trubici, vnitřní napětí, která v ní existovala, se odstraní, takže se roztáhne.
  4. Lámání „chytré plastelíny“ a „skákání“ plastelíny.
    1. Udeřit (tvrdě a tvrdě) na tyč z "chytré plastelíny" kladívkem, odlétly z ní malé úlomky, jako by se zlomila.
    2. Na stůl se hodil míč z plastelíny - skákal lépe než gumový, ale po chvíli, kdy takový míček ležel, se postupně srovnal (roztáhl).
    Vysvětlení. Tento experiment ilustruje elastickou odezvu nenewtonské tekutiny. Chytrá plastelína má velmi vysokou viskozitu, ale při pomalém namáhání se její viskozita snižuje. Při ostrých smykových napětích se materiál stává velmi elastickým.

2.5. Pozorování Weissenbergova jevu

Pokud je rotující tyč spuštěna do vody ve stacionární sklenici podél její osy, pak se vodní hladina v blízkosti skleněných stěn působením odstředivé síly ohýbá nahoru. Nenewtonské tekutiny se však chovají odlišně.

Reagencie: vaječný bílek.

Nádobí: sklo

Vybavení: ruční vrtačka, kovová tyč.

Pokrok

  1. Vaječný bílek byl oddělen do sklenice.
  2. Do proteinu byla ponořena rotující tyč upevněná v ruční vrtačce, protein se choval zvláštně: místo aby šplhal po stěnách (jako ve vodě), šplhal po tyči nahoru. Tento jev se nazývá Wessenbergův jev. Vysvětlení. Když se viskózní elastická tekutina otáčí, smyk jedné vrstvy vzhledem k druhé vytváří napětí podél vnější hranice tekutiny, které má tendenci shromažďovat tekutinu směrem ke středu rotace. Tato napětí se nevyskytují v normálních ("newtonských") tekutinách. V našem experimentu se při působení těchto napětí kapalina shromažďuje na ose rotace a stoupá vzhůru tyčí.

2.6. Tok viskózní tekutiny

Reagencie: kondenzované mléko (nebo med, tekutá čokoláda).

Nádobí: talíř.

Pokrok

  1. Kondenzované mléko se nalévalo z plechovky do talíře z výšky 5 až 20 cm.
  2. Pozorovali jsme: v určité vzdálenosti od desky se proud kapaliny začíná kroutit do prstenců nebo skládat do záhybů a vytvářet „tekuté lano“.
    Proč se takové prsteny objevují?
    Vysvětlení. Při pádu a dopadu na povrch stejné kapaliny v desce se pramínek stlačí, takže se ohne do stran. Za těchto podmínek se pramínek nemůže zlomit; pokud je tedy množství padající kapaliny větší, než může kapalina pod ním okamžitě absorbovat, pak se pramínek začne kroutit.
    Bylo zjištěno, že průměr a rychlost tvorby "navíjení" jsou dány tloušťkou pramínku: čím silnější je pramínek, čím větší jsou prstence nebo záhyby, tím pomaleji dochází k "navíjení".

2.7. Tixotropní margarín.

Činidla: margarín, kousek chleba.

Vybavení: nůž.

Pokrok:

  1. Namažte margarín na chleba.
  2. Díváme se. Margarín se působením nože rozmazává, jeho viskozita klesá s rostoucí zátěží. Margarín je příkladem tixotropní kapaliny.
    Vysvětlení. Zásadní vysvětlení, proč se viskozita kapaliny se smykovou deformací snižuje, zatím neexistuje. Za hlavní důvod se považuje změna molekulární konfigurace kapaliny vlivem smyku. Například dlouhé molekuly mohou být orientovány podél linií smykového toku. V důsledku toho klesá viskozita. Po odstranění smyku se molekuly vrátí do své předchozí orientace a viskozita se zvýší.

2.8. Ukládání vlastností

Nenewtonská kapalina má významnou nevýhodu: kapalina ztrácí své vlastnosti, když se z ní odpařuje voda. Provedl jsem studii, v jejímž důsledku jsem zjistil, že vlastnosti přetrvávají 2-5 dní v závislosti na okolní teplotě.

To na dočasné odstranění děr na silnicích stačí.


Rýže. 7. Chůze po nenewtonské tekutině

Použití nenewtonské kapaliny při opravách silnic

Problémy s jamkami jsou běžné v mnoha oblastech. Problém se stává zvláště patrným na jaře - po tání sněhu. existuje velké množství weby a stránky v sociální sítě ve kterém si majitelé aut stěžují na kvalitu silnic. Hlavní ale není stěžovat si, ale rychle problém vyřešit. Problém však nelze vždy rychle vyřešit: na jaře, když sníh úplně neroztál, v malých osadách nebo v případech mimo hlavní silnice, nádvoří nebo v případě velkého počtu děr v různých částech město. (obr. 8)


Rýže. 8. Jámy na silnicích

Povrch vozovky nesmí mít poklesy, výmoly nebo jiné poškození, které brání pohybu Vozidlo rychlostí povolenou pravidly silničního provozu. (str. 3.1.1. GOST R 50597-93)

Maximální přípustné poškození povlaku, jakož i podmínky jejich odstranění jsou uvedeny v tabulce.

Poznámky (upravit)

  1. V závorkách jsou uvedeny hodnoty škod pro jarní období.
  2. Termíny odstraňování škod jsou uvedeny na stavební sezónu, určují je povětrnostní a klimatické podmínky uvedené v SNiP 3.06.03 pro konkrétní druhy prací.

Limitní velikosti jednotlivých poklesů, výmolů atd. by neměla přesáhnout 15 cm na délku, 60 cm na šířku a 5 cm do hloubky.

Navrhuji záplatovat povrch vozovky vodotěsnými vaky naplněnými nenewtonskou tekutinou. Když na něj nepůsobí vnější síly, proudí jako kapalina, ale když se musí vypořádat s tělesem o velké hmotnosti (nebo pohybujícím se značnou rychlostí), promění se v něco pevného.

Tato metoda se vyznačuje svou hlavní vlastností - nízkou cenou. V takové "záplatě" se nemá co zlomit a rozložení zátěže na podkladovém povrchu bývá ideální (dokonce lepší než u běžného asfaltu) a co nejblíže rozložení v kapalinách. Déšť tuto náplast nesmyje, protože je ve voděodolném sáčku. A kola auta samozřejmě nic nezmohou: z náplasti nelze oddělit jedinou částečku. (obr. 9)


Rýže. 9. Pytel do jámy

Závěr

Výsledkem studie byla představa o některých vlastnostech nenewtonských tekutin. Od běžných newtonovských kapalin se liší formou závislosti viskozity na rychlosti deformace: pro newtonské kapaliny je přímo úměrná a pro nenewtonské kapaliny složitější, mocninný, odtud rozdíl v jejich vlastnostech. Byla získána představa o prevalenci nenewtonských tekutin: ukazuje se, že takové tekutiny se nacházejí všude a jejich oblasti použití jsou poměrně široké.

Nenewtonské kapaliny nepodléhají zákonům běžných kapalin, tyto kapaliny mění svou hustotu a viskozitu působením fyzikální síly, a to nejen mechanického působení, ale dokonce i zvukových vln. Působíte-li mechanicky na běžnou kapalinu, pak čím větší vliv na ni, tím větší posun mezi rovinami kapaliny, jinými slovy, čím silnější je účinek na kapalinu, tím rychleji poteče a změní svůj tvar. Působíme-li na nenewtonskou tekutinu mechanickými silami, dostaneme zcela jiný efekt, tekutina začne nabývat vlastností pevných látek a chovat se jako pevná látka.

Dokázal jsem, že nenewtonskou tekutinu lze vyrobit doma. Vzniklou tekutinu si můžeme nalít do ruky a zkusit kouli kutálet, při působení na tekutinu, zatímco kouli kouleme, bude v našich rukou pevná koule tekutiny a čím rychleji a silněji na ni působíme, tím hustší a tvrdší bude náš míč. Jakmile uvolníme ruce, míček, který byl do té doby pevný, se okamžitě roztáhne po ruce. To bude způsobeno skutečností, že po ukončení expozice kapalina opět získá vlastnosti kapalné fáze.

Byla získána odpověď na problematickou otázku, která byla položena před zahájením studie: člověk může chodit po povrchu nenewtonských tekutin, zejména po povrchu vodného roztoku škrobu, a nenewtonské tekutiny v nádržích mohou použít k dočasnému odstranění jam na silnicích.

Hypotéza studie byla potvrzena: Existují kapaliny, po jejichž povrchu může člověk chodit, auto může řídit - to jsou nenewtonské kapaliny, jsou to kapaliny se zvláštními vlastnostmi, ne jako voda.

Cíl práce byl splněn: některé vlastnosti nenewtonských kapalin byly zkoumány teoretickými a experimentálními metodami a byly objasněny jejich vlastnosti.

V průběhu výzkumu byly vyřešeny následující úkoly:

  1. Definice a popisy nenewtonských tekutin lze nalézt v informačních zdrojích.
  2. Byl proveden průzkum mezi staršími školáky a dospělými, který odhalil nedostatečnou informovanost respondentů o nenewtonských tekutinách.
  3. Článek popisuje některé vlastnosti nenewtonských tekutin a jejich odlišnosti od newtonských a uvádí jejich klasifikaci.
  4. Bylo zjištěno, že nenewtonské tekutiny nás obklopují všude, nejsou vůbec vzácné a exotické. Pro vlastní výrobu nenewtonské kapaliny se dobře hodí vodný roztok škrobu.
  5. V průběhu práce bylo provedeno experimentální studium některých vlastností nenewtonských tekutin s fotografiemi.
  6. Výsledkem výzkumu byla ke zkoumanému tématu vytvořena multimediální prezentace, kterou lze využít jako doplňkový materiál v hodinách fyziky.

Na základě vlastností nenewtonské tekutiny chci několik navrhnout způsoby, jak jej používat.

  1. Výroba kontejnerů pro přepravu a skladování předmětů z rozbitného skla (sklo, nádobí, vánoční dekorace atd.)
  2. Využití nenewtonské kapaliny při výrobě ochranných pomůcek (nákolenky, lokty, helmy atd.) pro sportovce a také jejich využití při výuce malých dětí chodit.
  3. Navrhuji záplatovat povrch vozovky vodotěsnými vaky naplněnými nenewtonskou tekutinou. Když na něj nepůsobí žádné vnější síly, proudí jako kapalina, ale jakmile se přes něj převalí kolo auta, okamžitě se změní v pevnou, jako asfaltovou hmotu.

Newtonské a nenewtonské tekutiny v poslední době přitahují aktivní zájem nejen mezi vědci, ale i mezi vědci obyčejní lidé... To je způsobeno tím, že nenewtonská kapalina se snadno vyrábí ručně a je vhodná pro domácí experimenty. Pro začátek si pojďme ujasnit, o jaké látky se jedná. Newtonská kapalina se řídí Newtonovým zákonem viskózního tření, a proto dostala své jméno. Podle tohoto zákona je tečné napětí v rovinách styku vrstev kapaliny přímo úměrné derivaci rychlosti jejího proudění ve směru normály k těmto rovinám.

Zní to poměrně složitě, ale čtenáři bude srozumitelnější, když řekneme, že newtonovská kapalina je voda, olej a většina tekutých látek, na které jsme zvyklí při každodenním používání, tedy takové, které si zachovají svůj stav agregace, ať už je jakýkoli uděláte s nimi (pokud samozřejmě nemluvíme o odpařování nebo zmrazení). Pokud je ale závislost popsaná v definici výše nepřímo úměrná, můžeme mluvit o nenewtonské tekutině.

Taková kapalina je vždy nehomogenní, obsahuje velké molekuly, které se shromažďují krystalové mřížky proto viskozita přímo závisí na průtoku sloučeniny. Čím vyšší rychlost, tím vyšší viskozita. Částečně tento typ látek zahrnuje tixotropní kapaliny, to znamená kapaliny, které v průběhu času mění viskozitu, například tmel nebo čokoládu. Také se někteří vědci přiklánějí k tomu, aby krev považovali za látku, která nepůsobí podle Newtonových zákonů viskózního tření, protože jde o nehomogenní kapalinu, jde o suspenzi plazmy a mnoha krvinek. Každý lékař potvrdí, že se to může lišit místo od místa. cévní systém, což je často patologie. Ne každá látka je však v zásadě takových metamorfóz schopna.

Lze velmi snadno vařit doma. Musíte vzít 1,5 dílu škrobu (ideálně kukuřičný, ale postačí bramborový) a jeden díl vody. Ingredience by se měly míchat pomalu, aby nebyly žádné hrudky. Ideálně to rozprostřete v docela tenké vrstvě na plech, ale samozřejmě můžete zažít jakékoliv interakce. Zkuste tekutinu rychle „prohrabat“ prsty a bude vypadat i na dotek jako ztuhlá plastická hmota. Uvolněte prsty a tekutina vyteče. Newtonská tekutina není schopná takových triků! Hmotu si můžete dát do hrsti a začít vyhazovat. Velmi brzy se stane viskózním a plastickým, a proto, jako by tančil ve vašich dlaních - to je velmi zajímavý pohled! Tekutinu srolujte do hrudky, bude elastická a příjemná, a pokud dlaň povolíte, rozteče se. Zajímavé je přidávat do ní barviva na hraní s dětmi. Někteří jdou dál a dokonce se pokoušejí běhat po nenewtonské kapalině, válet po ní předměty a tak dále, ale na takové pokusy je samozřejmě potřeba mnohem více materiálu než na domácí pokusy. Můžete najít mnoho videoreportáží a pokračovat ve zkoumání fascinujícího světa fyziky.