Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Виткуловская средняя школа»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

ПО ФИЗИКЕ

“Применение неньютоновской жидкости для устранения дорожной ямы.”

                                                                Выполнил ученик 10 класса

Пронин Антон

                                                         Руководитель проекта:

Макарова Марина Борисовна,

учитель физики.

2021 г.

Содержание

1. Теоретическая часть

1.1 Что такое неньютоновская жидкость?

1.2 История возникновения понятия неньютоновской жидкости. Отличия от нормальных жидкостей.

1.3 Классификация неньютоновских жидкостей.

1.4 Применение неньютоновской жидкости.

ПАСПОРТ ПРОЕКТА

ГлаваI

Теоретическая часть

1.1 Что такое неньютоновская жидкость?

Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Однако существуют неоднородные жидкости, состоящие из крупных молекул и образующих сложные пространственные структуры.

Такие жидкости называют неньютоновскими (аномальными).

Неньютоновские жидкости включают в себя множество веществ, связанных текучестью и отклонением от законов трения Ньютона. Это, кстати, подчёркнуто в трудах Астариты Дж. и Марруччи Дж. по гидромеханики аномальных 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 воздействие, но и даже звуковыми волнами. Если воздействовать механически на обычную жидкость то чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами, чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости. То есть, если смешать кукурузную муку и воду, то такую смесь можно назвать неньютоновской жидкостью.

        Часто, когда кого-то просят представить пример неньютоновской жидкости, упоминают о зыбучих песках, типичном представителе аномальных жидкостей.

        Один из пользователей Wikipedia.org написал: “Зыбучими называют пески, перенасыщенные влагой восходящих источников, а иногда даже горячими парами или газом (чаще в пустынях)”. Вследствие этого они в состоянии затянуть вглубь оказавшиеся на их поверхности предметы, людей или животных.

1.2 История возникновения понятия неньютоновской жидкости. Отличия от нормальных жидкостей.

        Неньютоновская жидкость - это жидкость, которая не следует правилам, которым следуют все другие жидкости (такое определение было дано в работе по неньютоновской жидкости Попковой Н.А. и Расюком М.В.) Эти правила или законы были открыты сэром Исааком Ньютоном, отсюда и название.

        Закон вязкости Ньютона говорит о том, что напряжение сдвига между соседними слоями жидкости пропорционально градиентам скорости между двумя слоями. Это означает, что если вы засунете руку в ньютоновскую жидкость и будете совершать медленные движения, то тактильные ощущения будут почти сопоставимы тем, если двигать рукой быстрее.

        Однако, если проделать такие же действия в неньютоновской жидкости, то совершать быстрые движения будет труднее, чем медленные.

        Другой пример: если наотмашь ударить по ньютоновской жидкости ладонью, то она расплескается в стороны, а рука будет мокрой. Теперь необходимо сделать то же самое, только уже с аномальной жидкостью – рука будто отскочит после удара и при этом, что интересно, останется сухой.

        Уже эти выявленные особенности неньютоновской жидкости свидетельствуют о том, что она не подчиняется закону вязкости.

        Почему наблюдается такое странное поведение? Здесь стоит обратиться к её молекулярному строению. Аномальные жидкости обычно состоят из крупных молекул, которые образуют сложные пространственные структуры. Если воздействовать на такую жидкость с достаточно большой силой и скоростью, то она будет проявлять свойства, которые близки, скорее, твёрдым телам, нежели жидким.

1.3 Классификация неньютоновских жидкостей.

        Уилкинсон в своих трудах делит аномальные жидкости на три обширные группы:

1) Неньютоновские жидкости с реологическими характеристиками, не зависящими от времени.

        К этому типу относятся системы, для которых скорость сдвига в каждой точке представляет некоторую функцию только напряжения сдвига в той же точке.

        В свою очередь подразделяется на:

а) Бингамовские пластичные жидкости (бингамовские пластики);

б) Псевдопластичные жидкости (псевдопластики);

в) Дилатантные жидкости.

2) Неньютоновские жидкости, реологические характеристики которых зависят от времени.

        В этой группе находятся системы, в которых связь между напряжением и скоростью сдвига зависит от времени действия напряжения или от предыстории жидкости.

        Подразделяются на два класса:

а) Тиксотропные

б) Реопектические

3) Вязкоупругие жидкости.

        В этой группе представлены системы, обладающие свойствами как твердого тела, так и жидкости и частично проявляющие упругое восстановление формы после снятия напряжения (так называемые вязкоупругие жидкости).

1.4 Применение неньютоновской жидкости.

        Исходя из свойств аномальной жидкости, можно предположить, что на практике её применяли относительно неожиданными способами. Некоторые из них упомянул в своей работе по неньютоновским жидкостям Привалов Андрей.

        Например, там было сказано про “жидкие” бронежилеты, отличающиеся более низкой массой по сравнению с обычными современными бронежилетами, а также более высокой безопасностью.

        Также он упомянул про некий материал под названием “D3O”, который изобрёл сноубордист Ричард Палмер. Он на основании зависимости вязкости от скорости течения в аномальных жидкостях изобрёл полимер D3O и применил его в защитной экипировке для зимних видов спорта. Привалов также выделил главное достоинство этого удивительного материала -  сохранение своей гибкость до применения агрессивного физического воздействия.

        Антон Евсеев, автор статьи “"Жидкая сумка" обезвредит бомбы”, рассказал про контейнер, содержащий неньютоновскую жидкость. Такой контейнер способен “обезвредить” пронесённую в багаже бомбу. Он более дешёвый, менее громоздкий и тяжёлый, чем те, которые применяются сейчас при перевозке различного багажа. Данное изобретение носит название “жидкая сумка”.

        Группа студентов Западного резервного университета Кейза (Кливленд, США) предлагает латать дорожное покрытие водонепроницаемыми мешками, наполненными неньютоновской жидкостью.Жидкость в таком случае испаряться будет весьма длительное время, мешки-заплатки можно без проблем транспортировать даже в багажнике автомобиля. В чём, казалось бы, смысл устранять дорожные ямы, используя такой специфический метод?

        Во-первых, изготовление всей конструкции, в которую входит водонепроницаемый мешок, и аномальная жидкость в качестве содержимого, не несёт больших расходов.

        Во-вторых, установка мешков-заплаток не требует каких-то особых знаний – достаточно просто разместить мешок-заплатку в яму, огромных затрат времени (по сравнению с кладкой асфальта), может проводиться несколько раз, используя один и тот же мешок.

        В-третьих, конструкция имеет более лучшую устойчивость к внешним воздействиям, распределение нагрузки на подстилающую поверхность стремится к идеальному. Проще говоря, если асфальт, к примеру, может потрескаться, то в дорожной заплатке с неньютоновской жидкостью ломаться просто нечему.

        Понятно, что у такого способа избавиться от ямы есть свои минусы. Из удобной транспортировки и простой установки, например, вытекает то, что мешок-заплатку забрать с собой могут все, кому не лень (вряд ли аномальная жидкость в таком случае представляет интерес, а вот водонепроницаемый мешок может быть применён в каких-то хозяйственных делах) или внешний вид, который может побуждать водителей объехать “подозрительную местность”.

        Используя информацию с “Яндекс.Патенты” я выяснил, что неньютоновский материал, использовавшийся американскими исследователями, представляет собой дилатантную жидкость, образованную концентрированным раствором крахмала и сахаров в воде.

Глава II

Практическая часть

2.1Методы и методики исследования.

Для достижения результата я использовал такие методы, как эксперимент, анализ и синтез информации.

2.2 Ход работы.

В Сосновском районе, как и во всей России, существует проблема плохих дорог. Конечно, государство принимает какие-то меры, чтобы её решить, но всё равно, в отдалённых районах страны, в том числе и в Сосновском районе, качество дорог оставляет желать лучшего.

Что же значит “плохие дороги”?

Во-первых, низкое качество дорожного покрытия из-за неточного проектирования, отсутствие обслуживания, ненормативной нагрузки, низкого качества материалов, из которых производится дорожное покрытие, погодных условий, оказывающих отрицательное влияние.

Во-вторых, халатное отношение к обслуживанию дороги отвечающих за это лиц.

В-третьих, затраты времени. По некоторым данным, строительство дороги включает в себя целых 6 этапов.

В-четвёртых, огромные денежные затраты на строительство, ремонт и содержание дорог.

Из-за этих проблем водитель нередко может встретиться с дорожными ямами. А что делать, если такие ямы находится перед домом или встречаются на маршруте, по которому приходится проезжать чуть ли не каждый день? В этом случае поможет мешок-заплатка, наполненный неньютоновской жидкостью.

Для того, чтобы заделать яму таким образом, необходимо

1) Рассчитать примерное количество мешков и жидкости необходимых для заделки выбранной ямы

2) Изготовить аномальную жидкость по одному из рецептов.

3) Проверить качество изготовленной жидкости.

4) Добавить в водонепроницаемый мешок/водонепроницаемые мешки.

5) Заделать отверстие в мешке/мешках

6) Прибыть к тому месту, где находится яма, вместе в мешком-заплаткой/мешками-заплатками.

7) Установить мешок/мешки в яму.

8) Оценить качество проделанной работы.

Разумеется, такой способ является временным, так как яму всё равно придётся заделывать асфальтом, зато она теперь не будет представлять опасности. Также такой “ремонт” не займёт много времени и с этим справится даже один человек.