исследовательская работа по физике "Исследование "Неньютоновской жидкости"
опыты и эксперименты по физике (11 класс)

МБОУ СОШ №25 г.Владикавказа

"Исследование неньютоновской жидкости"

Федотов Богдан

ученик 11 класса

МБОУ СОШ

г.Владикавказа

Научный руководитель:

Бекоева М.З.

учитель физики

г.Владикавказ, 2022г.

Введение…………………………………………………………………….3

Неньютоновские жидкости

Историческая справка………………………………………………………4

Где встречаются эти жидкости?...................................................................4

Приготовление раствора…………………………………………………...5

Исследование "Неньютоновской жидкости"……………………………..5

Изменение скорости течения жидкости…………………………....5

Определение плотности несколькими способами………………...6

Определение поверхностного натяжения………………………….6

Заключение……………………………………………………………….. 7

Список используемой литературы……………………………………..8

Введение.

Тема моей исследовательской работы "Неньютоновские жидкости". Актуальность исследования заключается в том, что эти жидкости находятся вокруг нас, но мы о них ничего не знаем. Примером являются: глинистые растворы, нефтепродукты, растворы полимеров, краски. Я увидела статью о неньютоновских жидкостях в газете , и меня очень заинтересовала эта жидкости. Да, мы на уроках изучаем состояния тел, но то, что представляет из себя неньютоновская жидкость, я не знала из курса физика.

Целью моей работы является изучение,  что представляет неньютоновская жидкость и какими необычными свойствами обладает.

Гипотеза: я предполагаю, что неньютоновская жидкость, это смесь, которая обладает свойствами жидкостей, а также некоторыми «особыми» свойствами.

Задачи:

• Собрать и проанализировать  информацию о данном виде жидкостей.
• Навести раствор, и провести расчетные задачи.

• Проанализировать результат.
• Сравнить результат с теоретическими знаниями.

Неньютоновские жидкости.

           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 не все в нашем мире так просто, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно - неньютоновские жидкости.

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. 

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.

Неньютоновскими называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона.

Неньюто́новской жи́дкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше её вязкость.

Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей, военной  и других отраслях промышленности. К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.

Приготовление раствора.

Для приготовления нам нужны крахмал (картофельный, кукурузный — любой) 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 (см. приложение 1)

 Исследование неньютоновской жидкости.

• Изменение скорости течения жидкости.

Опыт №1.  Так, если в ёмкость со смесью медленно ввести руку, то результат точно такой же, как если бы мы ввели руку в воду. Но если размахнуться как следует и стукнуть по этой смеси, то рука отскочит, как если бы это было твёрдое вещество. 

Опыт №2.  Если лить такую смесь с достаточной высоты, то в верхней части струи она будет течь, как жидкость. А в нижней — скапливаться комками, как твёрдое вещество.

Опыт №3. Кроме того, можно засунуть руку в жидкость и резко сжать пальцы. Можно почувствовать, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка.

Опыт №4. Или ещё один эксперимент — сунуть руку в этот "кисель" и резко попытаться её вытянуть. Большая вероятность, что ёмкость поднимется вслед за рукой.

Опыт №5. Когда быстро воздействовать на жидкость, катать как бы шарик из воды, то он получится на самом деле, благодаря неньютоновской жидкости. (см. приложение 2)

По результатам этих опытов можно сделать следующий вывод,  если на них воздействовать резко, сильно, быстро - они проявляют свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью.

Опыт №6. Также я попробовал заморозить неньютоновскую жидкость и воду.  Предполагаю, что время заморозки может быть одинаково, так как в состав неньютоновской жидкости входит вода.

Налила в один стакан смесь, в другой воду. Поставила в морозильную камеру и засекла время. Через 20 мин вода замёрзла, а в смеси изменений не наблюдалось. Еще через 10 мин на поверхности стакана с неньютоновской жидкостью я наблюдала появление кристалликов, а достав смесь ещё через 10 минут я увидела, что она замёрзла. (см. приложение 3).

По результату опыта можно сделать вывод, что плотность неньютоновской жидкости больше, чем плотность воды. Чтобы определить плотность неньютоновской жидкости я воспользовалась несколькими способами.

• Определение плотности несколькими способами.

1. Опыт №7. Расчет по формуле которую знаю из курса физики.

  V измерил мерным стаканчиком =25мл. (25*10"-6" м³)

              m измерила при помощи электронных весов. Масса смеси, без учёта массы стакана = 36 гр. (36*10"-3" кг)

Подставил  значение и получила, что р= 1440 кг/м³

  (см приложение 4)

2. Опыт №8. С помощью ареометра. (см. приложение 5)

Ареометром называется физический прибор, с помощью которого можно определить плотности жидкостей.

Он представляет собой стеклянный поплавок, в верхней части которого закреплена школа с делениями. Опустив ареометр в жидкость можно заметить поднятие уровня жидкости. По линии соприкосновения жидкости определяем её плотность.

Показания ареометра 1400 кг/м³

3. Опыт №9. Используя формулу Архимедовой силы.

FА=g*ρж*Vт. 

              V тела =89-70=19 мл (19*10"-6" м3);

              FА= 0,5Н-0,25Н= 0,25Н

Подставив значение и выразим из основной формулы плотность, я получил, что р= 1320 кг/м³ (см приложение 6)

Результаты опытов №7 и №8 дали приблизительно одинаковые значения, а в  опыте №9 результат отличается , так как большая погрешность измерений.

• Опыт №10. Поверхностное натяжение

В курсе физики мы проводили лабораторную работу по теме " Определения коэффициента поверхностного натяжения". Опираясь на описание этой лабораторной работы, я  использовал этот метод и рассчитал  поверхностное натяжения неньютоновской жидкости.

Взял  пипетку с диаметром 4,5*10"-3" м и накапал  в стаканчик 100 капель. Измерил массу капель при помощи электронных весов, она равна 16*10"-3" кг. Основная формула для нахождения поверхностного натяжения такова: mg=QПd. Нам требуется найти массу одной капли. Для этого мы массу всей жидкости разделим на количество капель. Она равна 0.16*10"-3" кг.  Из формулы выражаем поверхностное натяжение (Q)  и получаем, что оно равно 0,11 Н/м. (см. приложение 7)

Заключение.

При выполнении своей исследовательской работы, цели и задачи, поставленные мною в начале, были достигнуты. Я узнал, что представляет собой неньютоновская жидкость, какими свойствами она обладает. Смог рассчитать некоторые из свойств жидкости: плотность и поверхностное натяжение.

Первичная гипотеза подтвердилась.

Более подробно с неньютоновскими жидкостями при изучении физики можно познакомиться на факультативах и кружках по физике. Это позволит развить: интерес к предмету, кругозор учащихся, умение применить полученные знания на уроках физики, развить творческие способности детей.