Проектно-исследовательская работа по физике

Проектно-исследовательская работа по физике

«Неньютоновская жидкость»

 

 

Выполнил:

Васин Даниил, 9 «А» класс

Руководитель:

Кулькова Дарья Сергеевна,

 учитель физики

 

Сафоново

2020 год

 

                                                    

                                                     Содержание:

 

Введение………………………………………………………………….	3
I Теоретическая часть …………………………………………………..	5
Теория о неньютоновской и ньютоновской жидкостях…………...	5
1.1. Можно ли ходить по воде? ………………………………………	5
1.2. Характеристика жидкого состояния...............................................	5
1.3.  Ньютоновская и неньютоновская жидкости…………………….	7
1.4. Кошмар зыбучих песков………………………………………….	11
1.5. Болото - неньютоновская жидкость……………………………...	12
1.6. Кровь – неньютоновская жидкость………………………………	13
II Практическая часть …………………………………………………..	14
2.1. Результаты анкетирования …………………………………………	14
2.2. Приготовление неньютоновской жидкости……………………….	15
2.3. Опыты с неньютоновской жидкостью……………………………..	15
Применение неньютоновских жидкостей…………………………...	19
Заключение………………………………………………………………	20
Источники информации……………………………………………….	21
Приложение………………………………………………………………	22

 

 

Введение

Кругом огромнейшее множество разнообразных жидкостей. Наша с вами планета на 70 процентов состоит из воды. И в человеке преобладающая часть - жидкость. Все первые простейшие организмы тоже взяли свое начало в жидкости.

Под понятием жидкости люди, знакомые с физикой, понимают не просто молоко или же воду, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства. Жидкости делят на идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Тема неньютоновской жидкости, жидкости, которая так же проявляет и свойства твёрдого вещества, достаточно популярна в нынешнее время, и я тоже решил изучить свойства неньютоновской жидкости.

В своей работе я попытался получить вещество и изучить характеристики такой реальной жидкости, изготовленную на основе картофельного крахмала и воды в определенных пропорциях. Произвел некоторые математические расчеты для определения силы сопротивления жидкости.

В связи с вышесказанным я определил

Сформулировал гипотезу:   в домашних условиях возможно  приготовить неньютоновскую жидкость.

Определил цель работы:   получить и изучить физические свойства неньютоновской жидкости.

Поставил задачи:

· Сформулировать определение и узнать некоторые физические свойства и разновидности неньютоновской жидкости;

· Изготовить неньютоновскую жидкость;

· Узнать, где применяется неньютоновская жидкость.

 

Мною были определены

Объект исследования: неньютоновская жидкость.

Предмет исследования: свойства неньютоновской жидкости.

В своей работе я использовал следующие методы:  Опыты, наблюдения, анализ литературы, практические исследования.

Я считаю эту тему актуальной, так как жидкостей вокруг нас огромное количество, они очень часто используются человеком в повседневности, изучение свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твёрдого тела можно использовать во многих областях жизни.

    Данная работа может быть полезной на уроках физики.

Основным источником информации стал для меня интернет. Ссылки на сайты вы найдете в списке литературы.

I Теоретическая часть

Теория о неньютоновской и ньютоновской жидкостях

Можно ли ходить по воде?

С научной точки зрения ходить по воде невозможно, но… это лишь в том случае, если речь не идет о неньютоновской жидкости. Что это за жидкость и почему по ней можно ходить?

Итак, ни ходить, ни бегать по воде невозможно — это знает каждый. Однако, некоторые утверждают, что, разогнавшись до определенной скорости, пробежать по поверхности воды все-таки можно. Так ли это?

Еще в конце 17-го века великий физик Ньютон обратил внимание на то, что грести веслами быстро гораздо тяжелее, нежели делать это медленно. И тогда он сформулировал закон: «Вязкость жидкости усиливается пропорционально силе воздействия на нее». То есть, если максимально увеличить силу воздействия на воду, то ее вязкость и сила сопротивления увеличатся настолько, что вода сможет удержать бегущего человека на поверхности. Но какой же должна быть при этом его скорость? Для человека массой 70 кг и 42-м размером обуви — порядка 150 км/ч. Однако человек не может развить такую скорость, поэтому о «хождении по воде» можно забыть. Тем не менее, жидкость способна выдержать на своей поверхности вес человека! Для этого нужно всего лишь немного изменить состав воды.

Кошмар зыбучих песков

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.

Зыбучие пески чаще всего встречаются в низинах холмистой местности, на берегах морей, рек и озер. Это вроде бы обычный песок. Вода заполняет пространство между песчинками, раздвигая их и уменьшая сцепление между ними, в результате чего песок становится подвижным.

При поднятии подземного водного потока внешний вид песчаной почвы практически не изменяется, зато она становится чрезвычайно опасной. Тот, кто рискует ступить на нее, мгновенно засасывается. Ноги стискивает затвердевшая масса, и вытащить их без посторонней помощи невозможно.

При попытке вынуть ногу появляется разряжение воздуха, с большой силой тянущее ногу вспять. Самое главное при всем этом — не делать резких движений, необходимо попытаться занять как можно огромную площадь. Хотя известно, что зыбучим песок делают вода или сейсмическая активность, природа этого опаснейшего явления до конца не выяснена.

Попробуйте взять обычный песок, разбавить его водой (в любой пропорции) и поставить в него ногу. Вы извлечете ее оттуда без особого труда. То же самое и с песком на обычном пляже, периодически заливаемом водой. А между тем расчеты голландского профессора А. Бонна показывают: для того чтобы извлечь ногу из зыбучего песка, требуется приложить усилия, равные усилиям для подъема легкового автомобиля. Такой песок схватывает крепче, чем бетон. В океанах есть острова, где в зыбучих песках погибают целые корабли, выброшенные бурей на берег.

 

 

Результаты анкетирования

    С целью выяснения распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей мною было проведено  анкетирование учеников 9 классов  МБОУ «СОШ № 6».

 

 Содержание анкеты:

 

· Как Вы думаете, может ли человек ходить по поверхности воды?

· Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости?

· Если «да», то, что это за жидкость?

 

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. (Приложение 1)

 

Ход работы

Для приготовления мне нужны крахмал (картофельный или кукурузный) и вода. Пропорция зависит от качества крахмала и обычно составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В результате смешивания мы получаем нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами.

Заметил, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет. Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик. При воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связано это будет с тем, что после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы. (Приложение 2)

Опыт 1 с резкими движениями внутри жидкости.

Чтобы провести данный опыт и лучше понять свойства данной жидкости, нужно опустить руку в жидкую массу и резко попробовать сжать пальцы внутри нее. Также можно резко попробовать вытащить руку из нее. Главное все это делать быстро. В ходе проведения опыта можно заметить, что при резком воздействии на неньютоновскую жидкость она моментально крепчает. Таким образом, резко сжать внутри нее пальцы не получится, и резко вынуть руку тоже, несмотря на то, что при медленном погружении в нее руки, мы чувствовали обыкновенную жидкость. (Приложение 3)

Опыт 2 с ударом по жидкости.

Итак, при медленном погружении сжатого кулака в неньютоновскую жидкость, она проявляет свойства обычной жидкости, и не оказывает сопротивления. Но если по ней резко ударить, то она мгновенно превратится в более плотное вещество, и, пробить ее не получится. (Приложение 4)

Опыт 3   с жидкостью и шариками.

При резком броске пластмассового шарика в неньютоновскую жидкость вещество становится твердым, и шарик ударяется о его поверхность, но потом вещество вновь становится жидким, и шарики немного тонут. (Приложение 5)

Опыт 4  с переливанием неньютоновской жидкости.

При переливании неньютоновской жидкости из одного сосуда в другой она вновь проявляет как свойства твердого вещества, так и жидкого. При вытекании жидкости из одного сосуда, как и в момент своего падения, она остается жидкой, но при взаимодействии с поверхностью другого сосуда, или любой другой твердой поверхностью она на секунды столкновения становится твердой, и вновь растекается. (Приложение 6)

Опыт 5 Наблюдение "эффекта Кайе"

В 1963 году английский инженер Алан Кайе (Alan Kaye) проводил опыты на основе неньютоновских жидкостей и наблюдал интересные явления. Ученый заметил, что если жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкость или в жидкость с одинаковой плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется в жидкости, а как бы отскакивает от самой себя. Это явление назвали "эффект Кайе" (или «эффект Кея»).

Реактивы: шампунь во флаконе.

Посуда: глубокая широкая чашка, металлическая пластина.

Ход работы

Установили чашку на ровную поверхность и налили в неё шампунь слоем в 3 см. Из флакона выливали в чашку шампунь тонкой струйкой с высоты 20-25 см от поверхности чашки. По мере того как жидкость падала с высоты 20 см вниз в себе подобную жидкость, мы наблюдали, что струйка жидкости, падающая вниз, начинала отскакивать от поверхности жидкости находящейся внизу. В месте падения струйки образуется небольшой бугорок. После отскакивания струйки бугорок исчезает. Эффект имел очень короткую продолжительность. Известно, что это явление обусловлено вязкостью жидкости, однако точно причины его возникновения пока не ясны. Найдено несколько объяснений этому эффекту.

1) Скачок жидкости может быть вызван резким изменением вязкости струйки в тот момент, когда она ударяется о поверхность жидкости. Жидкости, в которых наблюдается эффект Кея, являются тиксотропными, то есть их вязкость уменьшается под действием деформации сдвига. В падающей струйке вязкость жидкости достаточно высока. Когда же жидкость ударяется о бугорок на поверхности, резкое изменение скорости приводит к возникновению больших деформаций сдвига, и вязкость жидкости уменьшается. Так как жидкость, кроме того, упруга, струйка отскакивает от бугорка.

 2) Проникая внутрь жидкости, находящейся в чашке, струйка несет в себе запас кинетической энергии, а поскольку жидкость имеет высокую плотность и вязкость, и по закону сохранения энергии, кинетическая энергия, внесенная в уравновешенную систему, должна, куда-то перейти, и выстреливает такой же струйкой из жидкости.

 3) Струя жидкости, падающая вниз, не может пробить поверхностное натяжение верхнего слоя и отскакивает в сторону. Если поставить под струйку металлическую пластину под углом примерно 45° и смочить ее тем же шампунем, то струйка, падающая вниз, будет по наклонной траектории падать, отскакивая пару раз от пластины. (Приложение 7)

Опыт 6 Течение вязкой жидкости

Реактивы: мёд.

  Посуда: тарелка.

 Ход работы

 Мёд лили из банки в тарелку с высоты от 5 до 20 см.

Наблюдали: на некотором расстоянии от тарелки струйка жидкости начинает накручиваться колечками или складываться складками, образуя «жидкий канат». Почему возникают такие колечки? Объяснение. Падая и ударяясь о поверхность такой же жидкости в тарелке, струйка сжимается, что заставляет ее выгибаться вбок. При данных условиях струйка не может разорваться; поэтому, если количество падающей жидкости больше, чем может сразу поглотить жидкость, находящаяся внизу, то струйка начинает завиваться. Выяснили, что диаметр и скорость образования «намотки» определяются толщиной струйки: чем толще струйка, тем крупнее кольца или складки, тем медленнее происходит «намотка».

Вывод из серии опытов:

Все изложенные выше опыты демонстрируют нам главное свойство неньютоновской жидкости – способность становиться более вязкой и твердой при резком взаимодействии с ней.

Если на эту жидкость с силой воздействовать, то она приобретает свойства твердого вещества. По этой жидкости можно даже бегать, но если замедлить действие, то человек сразу же погружается в жидкость. Свойства этой жидкости в скором времени планируют использовать для временного ремонта дорожных ям. Что же происходит с неньютоновскими жидкостями? Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде хаотически сплетенных 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 расходятся.

Заключение

 

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Я надеюсь, что мне удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

По итогам работы были выполнены все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. Проведенные опыты и презентация проиллюстрировали цель проделанной мной работы.

Итак, гипотеза о том, что в домашних условиях можно приготовить неньютоновскую жидкость, подтвердилась. Достаточно использовать воду и любой крахмал.

Неньютоновская жидкость – это жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона. Закон: вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее.

Узнал, что область применимости жидкости обширна. Это медицина, военное обмундирование, нефтедобывающая промышленность, строительные материалы.

Получен ответ на проблемный вопрос, который ставился перед началом выполнения исследования: человек может ходить по поверхности неньютоновских жидкостей, в частности по поверхности водного раствора крахмала.

Цель работы достигнута: теоретическим и экспериментальным методами исследованы некоторые свойства неньютоновских жидкостей и выяснены их особенности. В процессе выполнения исследования решены следующие задачи: В источниках информации найдены определения и описания неньютоновских жидкостей. Проведено анкетирование одноклассников, которое вскрыло отсутствие информированности респондентов о неньютоновских жидкостях. В работе описаны некоторые свойства неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских, дана их классификация. Выяснено, что неньютоновские жидкости окружают нас повсюду, они вовсе не являются редкими и экзотичными. Для самостоятельного изготовления неньютоновской жидкости удачно подходит водный раствор крахмала. В ходе работы проведено экспериментальное исследование некоторых свойств неньютоновских жидкостей с выполнением фотографий. В результате проведенных опытов было выявлено, что, если воздействовать на жидкость механическими усилиями, 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.

В итоге, оказалось, что затвердевание раствора связано не с ростом вязкости при сдвиге, а с компрессией (сжатием) частиц крахмала. Под местом удара стержня образуется плотная зона, которая останавливает физическое тело. То есть человек может спокойно бегать по воде. Главное, не останавливаться. Т.к. зона компрессии очень быстро исчезает, и, остановившись, ты неминуемо погружаешься в раствор.

Результаты моих опытов удивили не только меня, но и одноклассников. Все без исключения получили массу впечатлений и новых открытий от моей исследовательской работы.

У неньютоновской жидкости богатый потенциал, и я надеюсь, что она найдет еще больше применения в нашей жизни!

Как итог выполнения исследования создана мультимедийная презентация по исследуемой теме, которую можно использовать как дополнительный материал на уроках физики.

 

Проектно-исследовательская работа по физике

«Неньютоновская жидкость»

 

 

Выполнил:

Васин Даниил, 9 «А» класс

Руководитель:

Кулькова Дарья Сергеевна,

 учитель физики

 

Сафоново

2020 год

 

                                                    

                                                     Содержание:

 

Введение………………………………………………………………….	3
I Теоретическая часть …………………………………………………..	5
Теория о неньютоновской и ньютоновской жидкостях…………...	5
1.1. Можно ли ходить по воде? ………………………………………	5
1.2. Характеристика жидкого состояния...............................................	5
1.3.  Ньютоновская и неньютоновская жидкости…………………….	7
1.4. Кошмар зыбучих песков………………………………………….	11
1.5. Болото - неньютоновская жидкость……………………………...	12
1.6. Кровь – неньютоновская жидкость………………………………	13
II Практическая часть …………………………………………………..	14
2.1. Результаты анкетирования …………………………………………	14
2.2. Приготовление неньютоновской жидкости……………………….	15
2.3. Опыты с неньютоновской жидкостью……………………………..	15
Применение неньютоновских жидкостей…………………………...	19
Заключение………………………………………………………………	20
Источники информации……………………………………………….	21
Приложение………………………………………………………………	22

 

 

Введение

Кругом огромнейшее множество разнообразных жидкостей. Наша с вами планета на 70 процентов состоит из воды. И в человеке преобладающая часть - жидкость. Все первые простейшие организмы тоже взяли свое начало в жидкости.

Под понятием жидкости люди, знакомые с физикой, понимают не просто молоко или же воду, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства. Жидкости делят на идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Тема неньютоновской жидкости, жидкости, которая так же проявляет и свойства твёрдого вещества, достаточно популярна в нынешнее время, и я тоже решил изучить свойства неньютоновской жидкости.

В своей работе я попытался получить вещество и изучить характеристики такой реальной жидкости, изготовленную на основе картофельного крахмала и воды в определенных пропорциях. Произвел некоторые математические расчеты для определения силы сопротивления жидкости.

В связи с вышесказанным я определил

Сформулировал гипотезу:   в домашних условиях возможно  приготовить неньютоновскую жидкость.

Определил цель работы:   получить и изучить физические свойства неньютоновской жидкости.

Поставил задачи:

· Сформулировать определение и узнать некоторые физические свойства и разновидности неньютоновской жидкости;

· Изготовить неньютоновскую жидкость;

· Узнать, где применяется неньютоновская жидкость.

 

Мною были определены

Объект исследования: неньютоновская жидкость.

Предмет исследования: свойства неньютоновской жидкости.

В своей работе я использовал следующие методы:  Опыты, наблюдения, анализ литературы, практические исследования.

Я считаю эту тему актуальной, так как жидкостей вокруг нас огромное количество, они очень часто используются человеком в повседневности, изучение свойств неньютоновской жидкости проводится ничтожно мало, а вещество, заключающее в себе свойства и жидкости, и твёрдого тела можно использовать во многих областях жизни.

    Данная работа может быть полезной на уроках физики.

Основным источником информации стал для меня интернет. Ссылки на сайты вы найдете в списке литературы.

I Теоретическая часть