Исследовательская работа «Чудесные жидкости»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЕТЕЙ ДЕТСКИЙ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ГОРОДСКОГО ОКРУГА ГОРОД ОКТЯБРЬСКИЙ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

«Чудесные жидкости»

Автор:

Логинова Анастасия Александровна, 5 класс

Руководитель:

Логинова Татьяна Николаевна

Педагог дополнительного образования МБУ ДО ДЭБЦ

город Октябрьский

2018 год

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

13 декабря Глава Башкортостана Рустэм Хамитов объявил 2018год – годом семьи. Ни для кого не секрет, что родители в силу своей занятости мало проводят время с детьми и совсем с ними не играют. Поэтому я выбрала такую тему. Вместе с родителями мы провели опыты, в результате которых получились забавные игрушки. Этими опытами я хочу поделиться с вами.

Мы ещё не изучаем физику, но этот предмет уже мне очень интересен. С древности физикой называли любое исследование окружающего мира и явлений природы. Ни один человек не может уйти от реального материального мира: природа, быт и всё, что нас окружает и мы сами, в том числе подчиняемся законам физики. Окружающий нас мир природы состоит из тел: твёрдых, жидких и газообразных. Твёрдые тела имеют постоянную форму, жидкие тела текучи, не имеют постоянной формы, человек и сам на 80процентов состоит из жидкости. Жидкости окружают нас повсюду, без воды человек едва протянет трое суток, продукты питания тоже чаще всего в жидком виде.Поэтому изучение свойств жидких веществ и расширение знаний о них всегда будет актуально. 

Что представляет собой жидкость? Какими свойствами она обладает? В первую очередь, она должна литься, растекаться и принимать форму того предмета, во что её налили. Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать, называются ньютоновскими. Ещё в конце 17 века великий физик Исаак Ньютон обратил внимание на то, грести веслами быстро тяжелее, чем грести медленно. Он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё. Чем сильнее воздействие на обычную жидкость, тем сильнее она будет течь, менять форму. Почему же тогда чем сильнее сопротивляется человек, попавший в болото, тем быстрее трясина поглотит его? Ведь болото - это же тоже жидкость? Или человеку, упавшему в полынью зимой советуют меньше шевелиться, чтобы быстрее не загустевала кровь. Ведь кровь тоже жидкость и, казалось, чем активнее человек в полынье работает руками и ногами, тем горячее станет кровь, и человек дольше продержится в холодной воде?

Я выяснила следующее: не все в нашем мире так просто, есть особые жидкости, которые ведут себя немного странно, они не подчиняются законам физики, такие жидкости могут быть и вязкими, и тут же совершенно жидкими. Всё зависит от того, что с ними делают. И такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими жидкостями.

Целью моего исследования является изучение свойств таких жидкостей и практическому применению этих жидкостей. 

Из источников Интернета я выяснила следующее: у ньютоновских жидкостей (вода, низкомолекулярные органические жидкости, расплавы солей) вязкость не зависит от режима течения. У неньютоновских жидкостей (жидкие полимеры, стёкла, эмульсии) вязкость зависит от режима течения жидкости. Свойства неньютоновских жидкостей изучает реология. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. Проблемы реологии нужно учитывать при технологии различных производств: композиты, полимеры, глины, силикаты, пищевые продукты (кетчуп, конфеты батончики, масла). 

     Гипотеза:

  Выявить опыты, в которых наглядно можно увидеть отличие ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

Для достижения целей поставила для себя следующие задачи:

1.Изучить жидкости, которые не подчиняются законам физики.

2. Попробовать самой изготовить жидкость из крахмала и воды и проверить свойства полученной жидкости.

3.Смешать силикатный клей и несколько капель спирта.

4.Проанализировать свойства полученного вещества.

5.Сделать выводы о практическом применении полученных веществ.

В ходе исследования применялись следующие методы:

1.Изучение теоретических материалов

2.Эксперимент

3.Анализ полученных данных

4. Практическое применение аномальных жидкостей

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ЖИДКОСТЬ, НЕ ПОДЧИНЯЮЩАЯСЯ ЗАКОНУ НЬЮТОНА [1]

Нью́тоновская жи́дкость (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.

Итак, 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 (если речь не идет об испарении или замораживании, конечно). Мы знаем точно, как будет вести себя молоко, если будем наливать или переливать его в посуду. Чем резче я подниму пакет, тем быстрее молоко выльется из него. То же будет и с водой. А вот мёд будет течь медленно, как бы я не ускоряла его движение. Его сопротивление будет ускоряться противоположно моим усилиям. Потому что мёд - тоже неньютоновская жидкость и не подчиняется законам физики.

Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности. Если на них воздействовать резко, сильно, быстро - они проявляют свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью.[2]

К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.

Зыбучий песок, также как и разные виды, так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойствами, характерными как для твердых объектов, так и для обыкновенных жидкостей. Неньютоновские жидкости состоят из мелких частиц, распределенных в жидкости, причем внешне могут напоминать твердые субстанции или гель. Зыбучие пески - известный с давних пор пример неньютоновских жидкостей. Зыбучие пески опасны тем, что они могут засасывать в себя всё, что в них попадает. Встань на такой песок – и начнёшь тонуть в нём, но ударь быстро по песку и он тут же затвердеет. Зыбучий песок может в считанные минуты поглотить человека, животное, и даже целые города! Между тем, это обычный песок, но, обладающий свойствами неньютоновской жидкости.

Болото также пример аномальной жидкости, а ведь в ней обычная жидкость - вода. Если бы наша вода обладала свойствами неньютоновской жидкости, тогда бы она с большим трудом текла из крана, чем больше бы мы открывали кран, тем медленнее она текла. Зато при достаточно большой скорости мы могли бы бегать по водной поверхности, не проваливаясь в воду, как святой Пётр. Однако, остановившись, провалились бы в воду. Почему же одни жидкости ведут себя как положено жидкостям, а другие превращаются вдруг в твёрдые тела? Всё дело в молекулах, из которых состоят жидкости. Обычная вода состоит из молекул и некоторого растворённого вещества. Если же растворить в воде крахмал, обладающий очень сложным строением молекул, то мы получим раствор, напоминающий зыбучий песок.

Попробую на практике получить неньютоновскую жидкость и убедиться в её особенных свойствах.

(Приложение 1)

Итак, рецепт неньютоновской жидкости из крахмала: на 2 части крахмала добавить 1 часть воды и перемешать руками. Для того, чтобы играть в миске, нужно брать 1 стакан крахмала и пол стакана воды.

Кстати, если крахмала взять гораздо больше, то получится  /02/artifical-snow.html"искусственный снег.[4] Вот, оказывается, сколько всего интересного можно сделать из крахмала, не только кисели. Для приготовления нужны: крахмал  (картофельный, кукурузный — любой) и вода. 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. 

Также 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. Кроме того, можно засунуть руку в жидкость и резко сжать пальцы. Вы почувствуете, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка. Или ещё один эксперимент — сунуть руку в этот "кисель" и резко попытаться её вытянуть. Большая вероятность, что ёмкость поднимется вслед за рукой.

 Так же невозможно выплеснуть жидкость из миски. Она вообще не брызгается! Если взять мячик и бросить его в миску - он просто влипнет в нее и никакого ожидаемого всплеска не будет! Это настолько противоречит нашим бытовым представлениям о свойствах жидкостей! А ещё можно переливать такую жидкость. Если медленно наклонять миску, то жидкость течет, как сметана. Но если резко ее наклонить - она совсем не течет. Такой фокус нам недавно показывали на представлении «Шоу для юных гениев». Хорошо, что я уже знала тайну этого фокуса.

(Приложение 1а)

Кстати, любые капельки, которые все же накапали из миски, убрать очень легко. Ведь они не проникают в поверхность, а так и лежат совершенно сухими комочками. Их просто собираешь руками и кидаешь обратно в миску, где они тут же превращаются опять в воду.

(Приложение 2)

Известная нам игрушка лизун - тоже неньютоновская жидкость и изготовить её может каждый желающий это сделать.

Появилась она 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 купить везде, но забавную игрушку скоро научились делать в домашних условиях.[8]

Рецепт — как сделать лизуна дома: используем 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. 

(Приложение 3)

НЕНЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ – ГОРЯЧИЙ ЛЕД

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. Попробуем сделать такую жидкость самостоятельно. Но для начала выясним, что она из себя представляет.

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

Для того чтобы эффект был максимальным, погрейте получившуюся смесь на водяной бане в течение приблизительно получаса, не забывайте при этом ее помешивать.

Помните, что сильным [7] намагничиванием обладает далеко не каждый тонер, а значит старайтесь выбирать наиболее качественный.

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.

ПРИМЕНЕНИЕ  НЕНЬЮТОНОВСКИХ  ЖИДКОСТЕЙ

Применение в косметологии

При исследовании неньютоновских жидкостей в первую очередь изучают их вязкость, знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают и в медицине, и в технике, и в кулинарии, и в производстве косметики. Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Блеск для губ, например, должен быть достаточно вязким, чтобы долго оставаться на губах, но не слишком вязким, иначе тем, кто им пользуется, будет неприятно ощущать на губах что-то липкое. В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. В домашней косметике для тех же целей используют разные масла и воск.[5]

От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.

Применение в кулинарии

Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания.

Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте. В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин, или майонез — тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму. Самые известные примеры таких салатов — селедка под шубой и оливье. Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму.

Применение в медицине

В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. [9] По сравнению с кровью нормальной вязкости, густая и вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, что ограничивает поступление питательных веществ и кислорода в органы и ткани, и даже в мозг. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При исследовании чудесных жидкостей я узнала много интересного: нельзя воспринимать однозначно окружающий мир, он таит гораздо больше загадок, чем мы думаем. Свойства чудесных жидкостей необычны и необъяснимы с точки зрения науки - физики. Эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силы, причём, не только механической, но и даже звуковыми волнами. Чем больше воздействовать на обычную жидкость, тем быстрее она будет течь, менять форму, а при воздействии на аномальную жидкость мы получим обратный эффект, жидкость примет свойства твёрдых тел и будет вести себя как твёрдое тело. Я доказала, что в домашних условиях можно получить неньютоновскую жидкость и убедиться в её свойствах на практике.

Выводы.

Мои эксперименты показали, что есть жидкости, поведение которых при течении отличается от обычных жидкостей.

Опытным путем я выявила, что при сильном воздействии на неньютоновские жидкости они проявляют качества, противоположные обычным жидкостям: упругость, вязкость, твердость, тягучесть.

В результате зафиксированы красивые эксперименты. Исследовано практическое применение умного пластилина, приведены способы его использования в бытовых условиях. Также исследована крахмальная смесь, на примере которой показаны и доказаны свойства и необычность данных жидкостей.

В ходе проведения экспериментов выявлено много интересных свойств умного пластилина, некоторые из них можно использовать не просто как забаву, а еще и применять в быту.

Возможно, наукой еще не полностью изучены свойства неньютоновских жидкостей и они имеют потенциал занять важную ступень в разработках промышленности, науки.

1. Действительно, существуют жидкости, которые не подчиняются закону Ньютона.

2. Полученные мною жидкости вели себя и как жидкости, и как твёрдые тела, в зависимости от того, как я на них воздействовала.

3. Неньютоновские жидкости имeют широкoе применение, кaк в промышленности, так и в быту.

Мне осталось только рассказать друзьям по школе об особенных жидкостях и научить их делать, например, «умный пластилин» или игрушку лизун [8].

Используемые ресурсы

1. Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org)

2. А.В.Перышкин Физика 7 класс, Дрофа, Москва 2008 г.

3. Видеоресурсы http://www.youtube.com/watch?v=sbCW2RydyLU

4. Видеоресурсы http://community.livejournal.com/shutmusicup/88751.html

5. Сайт www.handgum.ru

6. Сайт www.caricatura.ru

7.http://www.kakprosto.ru/kak2648-kak-stat-silnym

сильным

8. http://zhenskoe-mnenie.ru/themes/maternity/kak-sdelat-lizuna-v-doma-na-radost-detiam-luchshie-retsepty-nuzhnye-materialy-i-rekomendatsii-kak-sdelat-lizuna-v-domashnikh-usloviiakh/

9.www.medweb.ru. Энцеклопедия – Вязкость крови.

Приложение 1

Неньютоновской жидкостью 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.

Это очень интересная для экспериментов субстанция. Если ее сжимать, то она твердая, если ничего не делать - жидкая. Если ее кидать, то она раскалывается, но только моргнешь и перед вами жидкая лужица.

Берёшь- твёрдая…..Секунда! Жидкая...

Прилагаешь усилия чтобы набрать в руки - твердая...

Можно кинуть и посмотреть, что получится...

Приложение 2

СЕКРЕТЫ УМНОГО ПЛАСТИЛИНА

Можно разрезать ножом как пирог, но через мгновение - от разреза не останется и следа.

Если приложить усилие и попытаться вдавить руку, то субстанция ведет себя как твердый предмет, но стоит расслабиться и рука тут же погружается на дно. Так, кстати, ведут себя и зыбучие пески!

А если подуть феном, то неньютоновская жидкость интересно топорщится, но не убегает.

Если быстро мять ее пальцами, сгребать в горсть, лепить комочки, то она ощущается как твердая. Но как только остановишься - все комочки буквально утекают сквозь пальцы. Это уже само по себе очень необычное явление, с которым можно возиться целый час!

Приложение 3.

Получаем магнитный пластилин

В масло добавляю девелопер (взяла девелопер для лазерных принтеров) и тщательно перемешав, продолжаю эксперимент.

Тест с применением системы Wotum

1. О каких телах идёт речь: она легко меняет форму, но сохраняет объём.

а) жидкость

б) твёрдые тела

в) газы

2.Как располагаются частицы в жидкостях?

а) далеки друг от друга.

б) плотно прижаты друг другу.

в) располагаются свободно

3.Где получили применение волшебные жидкости?

а) в быту каждого человека

б) в медицине

в) в косметической индустрии

4.Как могут вести себя волшебные жидкости?

а) как твёрдые тела

б) как жидкие тела

в)Как твёрдые и жидкие тела одновременно

Рефлексия деятельности.

Подберите к каждой букве соответствующее мероприятию значение

Ж- ( живой, жизнедеятельный)

И-(интересный, исключительный)

Д- (добрый, деятельный)

К- (конструктивный, классный)

О-( основной, освежающающий)

С- (содержательный, солнечный)

Т- (тёплый, таинственный)

ь-

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/336856-issledovatelskaja-rabota-chudesnye-zhidkosti