Неньютоновская жидкость

Содержание

Опыты

Как в целях научного познания, так и просто ради развлечения, можно попробовать провести следующие опыты:

  • Проведите пальцем по поверхности получившегося сгустка. Заметили ли вы что-нибудь?
  • Погрузите всю кисть руки в загадочное вещество и попытайтесь сжать его пальцами и вытащить наружу из контейнера.
  • Попробуйте покатать субстанцию в ладонях, чтобы слепить шарик.
  • Можно даже со всей силы хлопнуть по сгустку ладонью. Присутствующие зрители наверняка разбегутся в стороны, ожидая, что их сейчас обрызгает крахмальным раствором, однако необычное вещество останется в контейнере. (Если, разумеется, вы не пожалели крахмала.)
  • Зрелищный эксперимент предлагают видеоблогеры. Для него вам понадобится музыкальная колонка, которую следует аккуратно обтянуть плотной пищевой пленкой в несколько слоев. Вылейте раствор на пленку и включите музыку на большой громкости. Вы сможете наблюдать потрясающие визуальные эффекты, возможные только при применении этого уникального состава.

Если вы проводите эксперимент в лаборатории перед школьниками или студентами, спросите их, почему неньютоновская жидкость ведет себя именно таким образом. По какой причине она кажется твердым телом, если сжать ее в руке, но при этом течет, как сироп, если разжать пальцы? По окончании дискуссии можно упаковать сгусток в большой пластиковый пакет с застежкой-молнией, чтобы сохранить его до следующего раза. Он пригодится вам для демонстрации свойств суспензии.

Экспериментальная часть

В практической части мы провели несколько опытов.

Эксперимент №1 «Получение неньютоновской жидкости»

Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.

Оборудование: вода, крахмал, чаша.

Ход эксперимента:
1 Взяли чашу с водой и крахмал. Смешали в равных долях вещества.
2 Получилась белая жидкость.

Заметили, 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.

Эксперимент №2 «Изучение некоторых физических свойств неньютоновских жидкостей»

Для изучения свойств мы взяли смесь крахмала с водой, полученную в предыдущем эксперименте, гель для душа и подсолнечное масло.

Цель этого эксперимента: опытным путём определить плотность, температуру кипения и температуру кристаллизации данных жидкостей.

В результате проведённых опытов, мы получили следующие данные:

Эксперимент №3 «Изучение влияния магнитных полей на неньютоновскую жидкость»

Эксперименты с ферромагнитной жидкостью широко распространены в виде видеороликов в интернете. Дело в том, что данный вид жидкости под действием магнита совершает определенные движения, что делает эксперименты очень зрелищными.

Ферромагнитную жидкость можно изготовить своими руками в домашних условиях. Для этого возьмём масло (подойдет моторное, подсолнечное и прочие), а также тонер для лазерного принтера (субстанция в виде порошка). Теперь смешаем оба ингредиента до консистенции сметаны.

Для того, чтобы эффект был максимальным, погреем получившуюся смесь на водяной бане в течение приблизительно получаса, не забывая при этом ее помешивать.
Ферромагнитная жидкость (феррофлюид) – это жидкость, которая сильно поляризуется под воздействием магнитного поля. Проще говоря, если приблизить обычный магнит к этой жидкости, она производит определенные движения, например, становится похожей на ежика, встает горбом и т.д.

https://youtube.com/watch?v=LhFuNjjngms

Изготовление игрушки – лизуна

Самая первая игрушка-лизун или слайм (slime) была сделана компанией Mattel в 1976 году. Игрушка-Лизун заслужила популярность благодаря своим забавным свойствам – одновременно текучести, эластичности и возможности постоянно трансформироваться. Обладающий свойствами неньютоновской жидкости, игрушка-лизун быстро стала безумно популярной у детей и взрослых. Лизуна можно было купить не везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях.

Изготовление лизуна своими руками и в домашних условиях отличается от оригинального рецепта. Поэтому будем использовать более доступные вещества:

1. Клей ПВА. Белый, желательно свежий клей можно купить в любом канцелярском или строительном магазине. Клея для Лизуна нам понадобится примерно половина обычного стакана, около 100 гр.
2. Вода – самая обычная вода из-под крана. При желании можно взять кипяченую, комнатной температуры. Понадобится немного больше стакана.
3. Тетраборат натрия, боракс или бура. Может быть приобретен в аптеке, в форме 4%-ного раствора.
4. Пищевой краситель или несколько капель зеленки. Оригинальный лизун – зеленый, и зеленка отлично подходит на роль подкрашивающего вещества.
5. Мерный стакан, посуда и палочка для смешивания. В качестве палочки можно взять карандаш, ложку или любой другой подходящий предмет.

Переходим к самому процессу создания лизуна:

— Растворяем столовую ложку боракса в стакане воды.
— Четверть стакана воды и четверть стакана клея превращаем в однородную смесь в другой посуде. При желании туда же добавляем краситель.
— Перемешивая клеевую смесь, постепенно добавляем туда раствор буры, примерно полстакана. Мешаем до получения желеобразной однородной массы.
— Проверяем результат: загустевшая субстанция, собственно, и является игрушкой лизуном. Ее можно выложить на стол, помять и проверить все ее оригинальные свойства.

О вязкости

Сэр Исаак Ньютон утверждал, что вязкость, или резистентность жидкости к течению, зависит от температуры. Так, к примеру, вода может превратиться в лед и обратно именно под воздействием нагревающих или охлаждающих элементов. Однако некоторые субстанции, существующие в мире, меняют вязкость вследствие применения силы, а не изменения температуры. Интересно, что к неньютоновским жидкостям причисляют повсеместно применяемый томатный соус, который становится жиже при условии длительного размешивания. Сливки же, наоборот, загустевают при взбивании. Этим веществам не важна температура — вязкость неньютоновских жидкостей меняется ввиду физического воздействия.

Объяснение опыта

Что происходит с жидкостью, когда вы пытаетесь на нее воздействовать (например, размешиваете ложкой воду в кастрюле)? Вы перемещаете одну часть жидкости (рядом с ложкой) относительно другой (у стенки кастрюли). При этом разрываются связи, удерживающие молекулы воды вместе – именно на это затрачиваются ваши усилия. Одни жидкости (и, кстати, газы тоже) перемешивать легче, другие – труднее.

Интуитивно очевидное с детства понятие на самом деле выражается через соотношение нескольких физических величин, значение которых будет непросто объяснить ребенку. Если вы все же решите это сделать, то расскажите ему об эксперименте с прямоугольной трубой, наполненной жидкостью.

Итак, представьте себе трубу, в которой находится жидкость. Ее верхний слой вы перемещаете с определенной скоростью, в то время как до дна просто не достаете – там жидкость неподвижна. Между верхним и нижним слоем жидкости возникает касательное напряжение – оно тем выше, чем большую силу вы прикладываете для перемещения верхнего слоя, и тем меньше, чем шире труба.
ῖ=F/S
Однако помимо ширины трубы имеет значение ее высоты. Она определяет скорость деформации жидкости она тем выше, чем быстрее течет верхний слой жидкости, и тем меньше, чем ниже труба.
Ῠ=v/H
Соотношение между ῖ и Ῠ называют коэффициентом динамической вязкости (или просто вязкостью) и обозначают буквой η.

Для множества жидкостей существует линейная зависимость между ῖ и Ῠ, собственно она такова и для воды

Именно на это обратил внимание Исаак Ньютон, заметивший, что грести веслами быстро намного тяжелее, чем делать это медленно:. «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга». «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

«Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

Их, в свою очередь, можно разделить на несколько классов:

  • Псевдопластик — при медленных движениях вязкость велика, затем убывает.

  • Дилатантная жидкость — вязкость растёт с увеличением скорости.

Именно к последним (дилантантным) относится разведенный в воде крахмал: его молекулы слишком велики, чтобы разные слои жидкости могли свободно двигаться один относительно другого, при резком смещении слоев они буквально «цепляются» друг за друга.

https://youtube.com/watch?v=sTQ-rOBidgM

1.11.2018

Видео предоставлено автором – фотографом Анной Масловой (Sunni)
  
  Школа, о детях от 7 до 10 лет, Познавательное

Примеры

Многие обычные вещества демонстрируют неньютоновские потоки. Это включает:

  • Мыльные растворы, косметика и зубная паста
  • Еда, такая как масло , сыр , джем , майонез , суп , ириски и йогурт.
  • Натуральные вещества, такие как магма , лава , камедь , мед и экстракты, такие как экстракт ванили.
  • Биологические жидкости, такие как кровь , слюна , сперма , слизь и синовиальная жидкость.
  • Растворы, такие как цементный раствор и бумажная масса, эмульсии, такие как майонез, и некоторые виды дисперсий

Oobleck

Демонстрация неньютоновской жидкости в Universum в Мехико

Облек на сабвуфер. Приложение силы к облеку, в данном случае звуковыми волнами, приводит к сгущению неньютоновской жидкости.

Недорогим, нетоксичным примером неньютоновской жидкости является суспензия крахмала (например, кукурузного крахмала) в воде, которую иногда называют «облек», «ил» или «волшебная грязь» (1 часть воды на 1,5–2%). части кукурузного крахмала). Название «облек» происходит от книги доктора Сьюза « Варфоломей и облек» .

Из-за своих дилатантных свойств облек часто используется в демонстрациях, демонстрирующих его необычное поведение. Человек может ходить по большой ванне из ооблека, не утонув из-за его свойств утолщения при сдвиге, если он движется достаточно быстро, чтобы с каждым шагом прилагать достаточно усилий, чтобы вызвать утолщение. Кроме того, если на большой сабвуфер установить громкоговоритель с достаточно высокой громкостью, он будет утолщаться и образовывать стоячие волны в ответ на низкочастотные звуковые волны из динамика. Если бы человек ударил кулаком или ударил по облеку, он бы утолщался и действовал как твердое тело. После удара оболочка вернется в жидкое жидкое состояние.

Flubber (слизь)

Флаббер, также широко известный как слизь, представляет собой неньютоновскую жидкость, которую легко получить из клея на основе поливинилового спирта (например, белого «школьного» клея) и буры . Он течет при низких напряжениях, но ломается при более высоких напряжениях и давлениях. Эта комбинация свойств жидкости и твердого тела делает ее жидкостью Максвелла . Его поведение также можно описать как вязкопластическое или гелеобразное .

Охлажденная карамельная начинка

Другим примером этого является топпинг из охлажденного карамельного мороженого (при условии, что он содержит гидроколлоиды, такие как каррагинан и геллановая камедь ). Внезапное приложение силы — например, путем удара пальцем по поверхности или быстрого переворачивания контейнера, в котором он находится, — заставляет жидкость вести себя как твердое тело, а не как жидкость. Это свойство « загустевания при сдвиге » этой неньютоновской жидкости. При более щадящем обращении, например, медленно вставляя ложку, она останется в жидком состоянии. Однако попытка снова выдернуть ложку приведет к возврату временного твердого состояния.

Глупая замазка

Silly Putty — это суспензия на основе силиконового полимера, которая будет течь, отскакивать или ломаться в зависимости от скорости деформации.

Смола растений

Растительная смола — это вязкоупругий твердый полимер . Оставленный в контейнере, он будет медленно течь как жидкость, чтобы соответствовать контурам контейнера. Однако, если ударить с большей силой, он расколется как твердое тело.

Зыбучие пески

Зыбучие пески — это разжижающийся при сдвиге неньютоновский коллоид, который в состоянии покоя приобретает вязкость. Неньютоновские свойства зыбучих песков можно наблюдать, когда они испытывают легкий шок (например, когда кто-то идет по ним или встряхивает их палкой), переходя между фазами геля и золя и, казалось бы, разжижаясь, вызывая объекты на поверхности зыбучих песков. тонуть.

Кетчуп

Кетчуп — это жидкость, разжижающая сдвиг . Разжижение при сдвиге означает, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением напряжения сдвига . Другими словами, движение жидкости изначально затруднено при низких скоростях деформации, но при высоких скоростях она будет течь более свободно. Встряхивание перевернутой бутылки кетчупа может привести к переходу к более низкой вязкости, что приведет к внезапному выбросу разбавленной сдвигом приправы.

Сухие гранулированные потоки

При определенных обстоятельствах потоки сыпучих материалов можно моделировать как континуум, например, используя реологию μ ( I ) . Такие модели континуума имеют тенденцию быть неньютоновскими, поскольку кажущаяся вязкость гранулированных потоков увеличивается с давлением и уменьшается со скоростью сдвига. Основное отличие — напряжение сдвига и скорость сдвига.

Больше воды и крахмала…

Зная, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях, можно, увеличив пропорции, изготовить достаточное количество такой смеси и залить ею, к примеру, небольшой детский бассейн. Глубины в 15-25 сантиметров будет достаточно. Тогда по поверхности этой жидкости можно прыгать, бегать, танцевать, не проваливаясь. Но если остановиться, то сразу погружаешься в нее. Это отличное развлечение для взрослых и детей.

В Малайзии неньютоновской жидкостью залили целый бассейн. Это место сразу стало очень популярным. Там с удовольствием весело проводят время люди всех возрастов.

Типы неньютоновского поведения

Резюме

Классификация жидкостей с напряжением сдвига как функцией скорости сдвига.

Сравнение неньютоновских, ньютоновских и вязкоупругих свойств
Вязкоупругий Кельвина материал , материал Максвелла «Параллельная» линейная комбинация упругих и вязких воздействий. Некоторые смазки , взбитые сливки , Silly Putty
Вязкость, зависящая от времени Реопектический Кажущаяся вязкость увеличивается с продолжительностью нагрузки Синовиальная жидкость , чернила для принтера , гипсовая паста
Тиксотропный Кажущаяся вязкость уменьшается с продолжительностью нагрузки Йогурт , арахисовое масло , растворы ксантановой камеди , водные гели оксида железа , желатиновые гели, пектиновые гели, гидрогенизированное касторовое масло , некоторые глины (включая бентонит и монтмориллонит ), суспензия углеродной сажи в расплавленной резине шин, некоторые буровые растворы , многие краски , многие суспензии хлопьев , многие коллоидные суспензии
Неньютоновская вязкость Утолщение при сдвиге (дилатант) Кажущаяся вязкость увеличивается с увеличением нагрузки Суспензии кукурузного крахмала в воде (ооблек)
Истончение сдвига (псевдопластическое) Кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением нагрузки Лак для ногтей , взбитые сливки , кетчуп , патока , сиропы, бумажная масса в воде, латексная краска , лед , кровь , некоторые силиконовые масла , некоторые силиконовые покрытия , песок в воде
Обобщенные ньютоновские жидкости Вязкость постоянная. Напряжение зависит от нормальной скорости деформации и деформации сдвига, а также от приложенного к ней давления. Плазма крови , заварной крем , вода

Загуститель для сдвига

Вязкость загущающей жидкости при сдвиге или дилатантной жидкости, по-видимому, увеличивается при увеличении скорости сдвига. Кукурузный крахмал, суспендированный в воде («облек», см. ), является типичным примером: при медленном перемешивании он выглядит молочно-белым, при интенсивном — кажется очень вязкой жидкостью.

Разжижающая жидкость для сдвига

Краска — это неньютоновская жидкость. Плоская поверхность, покрытая белой краской, ориентируется вертикально (перед съемкой плоская поверхность была горизонтальной, помещена на стол). Жидкость начинает стекать по поверхности, но из-за своей неньютоновской природы подвергается напряжению из-за гравитационного ускорения . Поэтому вместо того, чтобы скользить по поверхности, он образует очень большие и очень плотные капли с ограниченным стеканием.

Знакомый пример противоположности — жидкость для разжижения сдвига или псевдопластическая жидкость — это краска для стен : краска должна легко стекать с кисти при нанесении на поверхность, но не капать чрезмерно

Обратите внимание, что все тиксотропные жидкости сильно разжижаются при сдвиге, но они значительно зависят от времени, тогда как коллоидные жидкости, «разжижающие при сдвиге», мгновенно реагируют на изменения скорости сдвига. Таким образом, чтобы избежать путаницы, последняя классификация более четко называется псевдопластической.

Другой пример жидкости, разжижающей сдвиг, — кровь. Это применение очень популярно в организме, поскольку оно позволяет снизить вязкость крови с увеличением скорости сдвига.

Бингхэм пластик

Жидкости, которые имеют линейную зависимость напряжения сдвига / деформации сдвига, но требуют конечного напряжения текучести, прежде чем они начнут течь (график зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига не проходит через начало координат), называются пластиками Бингема . Несколько примеров — глиняные суспензии, буровой раствор, зубная паста, майонез, шоколад и горчица. На неподвижной поверхности пластика Bingham могут оставаться выступы. Напротив, ньютоновские жидкости в неподвижном состоянии имеют плоские безликие поверхности.

Реопектическое или антитиксотропное

Есть также жидкости, скорость деформации которых зависит от времени. Жидкости, которые требуют постепенно увеличивающегося напряжения сдвига для поддержания постоянной скорости деформации, называются реопектическими . Противоположный случай — жидкость, которая со временем разжижается и требует уменьшения напряжения для поддержания постоянной скорости деформации ( тиксотропная ).

Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях: два способа

Состав смеси напрямую влияет на ее свойства. Таким образом, следует знать, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях. Рецепт приготовления весьма прост. В нем всего два основных ингредиента — вода и крахмал. Последний ингредиент может быть как кукурузным, так и картофельным. Вода должна быть холодной. Все тщательно смешивается. Все готово!

Для более жидкого состояния смеси берется пропорция воды и крахмала 1:1. Для более твердого — 1:2. При желании в нее можно добавить пищевые красители, тогда смесь будет яркой.

А как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях без крахмала? Этот рецепт немного сложнее, но так же эффективен, как и предыдущий. Сначала смешивается вода и обычный клей ПВА в пропорциях 0,75:1. Отдельно соединяется вода с небольшим количеством буры. После этого оба состава смешиваются и тщательно перемешиваются.

Оба способа позволяют получить неньютоновскую жидкость, но первый намного проще и пользуется наибольшей популярностью.

Как сделать неньютоновскую жидкость своими руками

Приготовить её можно легко в домашних условиях, рецепт простой и понятный. Для изготовления Вам понадобится:

  • Крахмал, лучше кукурузный, но подойдёт и картофельный, 1 кг
  • Вода 500 г.
  • Глубокая миска или другая ёмкость для смешивания.
  • Краситель по желанию.

Если хотите получить больше неньютоновской жидкости, то просто возьмите большее количество крахмала, главное чтобы соотношение к воде было 2:1, то есть на два стакана крахмала один стакан воды. А при игре с детьми краситель желательно использовать пищевой, так как малыши любят пробовать всё на вкус.

Для начала в миску насыпьте крахмал, затем, постепенно добавляя воду, перемешивайте до получения однородной массы, по консистенции схожей с киселём.  Мешать можно руками или ложкой.  Добавьте краситель. Когда Вы почувствуете, что смесь стала достаточно густой и вязкой, а при надавливании на её поверхность ложкой или пальцем, твердеет – она готова.

Ньютоновская жидкость как сделать

Тут все очень просто — берем обыкновенный крахмал, при чем для создания ньютоноской жидкости подойдет любой и кукурузный и картофельный (я проверяла). Картофельный просто намного дешевле и его вы быстрее найдете в продаже.

Крахмал насыпаем в глубокое блюдо и заливаем холодной водой в пропорции 1:1, так получится более вязкая структура, а если смешать в пропорции 1:2, то структура будет более твердая.

Если хотите получить более насыщенный цвет добавьте в жидкость пищевой краситель.

Все мешаем до обнородности ложкой, а лучше рукой

Добавляем воду постепенно, обращая внимание на структуру (должна получиться киселеобразная) и получаем Ньютоновскую жидкость

Когда ребенок наиграется с жидкостью, ее можно перелить в любую емкость в которой её будет удобно хранить и оставить открытой. Вода испарится уже через пару часов и когда вы решите поиграть с ньютоновской жидкостью, просто добавьте воды в необходимой пропорции. Использовать крахмал можно неограниченное количество раз.

Игра с ней гарантировано увлечет надолго не только Вашего ребенка, но и всю семью. 

Любопытные опыты с ньютоновской жидкостью

  • Можно скатать шарик, а затем расслабить пальцы и наблюдать как шарик начинает течь сквозь них.
  • Поместите любой предмет в жидкость можно руки, а можно к примеру чашку, а затем резко выдерните его и предмет поднимет емкость в воздух вместе с содержимым. Руки там окажутся просто зацементированными.
  • Очень интересно наблюдать, как жидкость перетекает из одного блюдца в другое и твердеет.
  • По жидкости можно постучать и наблюдать, что жидкость ведет себя как твердый предмет.

Ньютоновская жидкость в качестве игрушки примечательна ещё тем, что она полностью безопасна (в отличии от китайских лизунов). Если ребенок её даже и попробует, (хотя я не думаю, что она ему придется по вкусу), вреда она ему точно не принесет. Зато после игры комната, стол, стул и ванна буквально измазаны белыми пятнами которые к слову, очень легко смываются, как в прочем и руки ребенка!

Игра с ньютоновской жидкостью

Мы попробовали сделать лизун с помощью ньютоновской жидкости. Для этого взяли воздушный шарик и при помощи лейки наполнили его жидкостью. Хоть это было и не легко из-за вязкости

Затем завязали шарик и получили отличный антистресс с самовосстанавливающейся структурой.

https://youtube.com/watch?v=5DG77kfi_HI

Удачи в экспериментах и всегда отличного настроения!

Заключение и выводы

В результате проделанной работы был проведён обзор теоретических источников информации. Проведена серия экспериментов с неньютоновской жидкостью, рассчитали плотность, определили температуру кипения и кристаллизации неньютоновских жидкостей.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Если мешаем быстро неньютоновскую жидкость, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет. При быстром движении такая жидкость ведёт себя как твердое тело.
2. При изменении температуры изменяется плотность жидкости.

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам 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 нами работы.