Рассмотрены результаты серии опытов с неньютоновской жидкостью. Доказано существование в неньютоновской жидкости нетипичных для жидкости свойств твердого тела при определенных условиях; доказано, что свойства образца неньютоновской жидкости не меняются при воздействии вибрации и прямолинейном равномерном движении жидкости. Исследованы защитные свойства неньютоновской жидкости при падении с высоты и при воздействии острого режущего предмета. Предложены варианты использования особенных свойств неньютоновской жидкости.
Ключевые слова: неньютоновская жидкость, закон Ньютона, защитные свойства жидкости, вязкость.
Цель работы: экспериментально доказать существование жидкости, имеющей свойства, отличные от свойств привычной нам жидкости.
Понятие неньютоновской жидкости
Ньютон вывел закон, который устанавливает прямо пропорциональную зависимость силы воздействия на жидкость от градиента скорости [1]. Это закон вязкого трения Ньютона. Большинство жидкостей подчиняются данному закону. Но существуют жидкости, которые не подчиняются закону Ньютона. В них вязкость растет значительно быстрее, чем увеличивается скорость воздействия [3]. Они называются «неньютоновские». Они могут вести себя как твердое тело и как обычная жидкость. Чаще всего они созданы из полимерных молекул большого размера. «Сцепление» между такими молекулами не очень велико, но данные молекулы в состоянии достаточно свободно скользить относительно друг друга. В результате, когда на жидкость воздействуют, она становится твердой, как только воздействие прекращается — она растекается. Для серии опытов неньютоновская жидкость была создана путем смешивания воды и кукурузного крахмала.
Определение плотности смеси
Для определения плотности полученной жидкости используем мерную емкость и кухонные весы. Плотность жидкости определим по формуле [2]
ρ = m ж / V ж = 0,37/0,0003 = 1233 кг/м 3
где m ж — масса жидкости, кг; V ж — объем жидкости, м 3 .
Для дальнейших исследований свойств неньютоновской жидкости нам необходимы тела, материал которых имеет плотность, больше чем плотность созданной нами неньютоновской жидкости.
Исследование способности неньютоновской жидкости проявлять свойства твердого тела
Для проведения опыта используем металлическую деталь. Возьмем чашу с неньютоновской жидкостью и бросим деталь в чашу. После удара о жидкость металлическая деталь отскакивает как от твердого упругого тела, но затем, потеряв скорость, деталь опускается на поверхность жидкости и начинает плавно тонуть. Деталь отскакивает, так как в месте соприкосновения детали и жидкости происходит резкое возрастание скорости движения частиц жидкости и, следовательно, резкое увеличение вязкости жидкости — жидкость проявляет свойства твердого тела. После того, как деталь потеряла скорость и плавно опустилась на поверхность жидкости, она начала медленно погружается в жидкость — то есть тонуть. В данном случае созданная смесь проявляет свойства жидкости.
Попробуем произвести резкое воздействие на неньютоновскую жидкость — ударить молотком. При ударе происходит резкое возрастание скорости движения частиц жидкости под молотком, жидкость проявляет свойства твердого тела и молоток отскакивает.
Раз неньютоновская жидкость выдерживает удар молотка, то сможет ли она удержать человека? Мы провели опыт, в котором прыгали в чашу с неньютоновской жидкостью. В этом случае можно оттолкнуться от поверхности жидкости. А если мы плавно наступим в чашу, то ноги утонут.
Оказывается, пробежать по поверхности жидкости вполне возможно, если это неньютоновская жидкость!
Исследование свойств неньютоновской жидкости при движении
Если в неньютоновской жидкости проявляются свойства твердого тела при движении, то движущаяся жидкость будет вести себя как твердое тело?
Поместим чашу с жидкостью на игрушечную машинку и будем ее везти. Бросим металлическую деталь на поверхность жидкости. Деталь отскакивает, а затем, плавно опускаясь, тонет. В данном случае жидкость не меняет своих свойств по сравнению с опытом при неподвижной чаше потому, что вся жидкость движется с постоянной скоростью, а свойства твердого тела проявляются при наличии разницы скоростей в слоях жидкости.
Исследование неньютоновской жидкости при воздействии вибрации
Поместим емкость с жидкостью на вибрационную платформу. Бросим металлическую деталь на поверхность жидкости. Несмотря на воздействие вибрации, жидкость сохраняет свои свойства и металлическая деталь сначала отскакивает от поверхности жидкости, а затем плавно тонет. Это происходит потому, что градиент скорости в жидкости мал и не является достаточным для образования кристаллической решетки и появления у жидкости свойств твердого тела.
Исследование защитных свойств неньютоновской жидкости
Поместим яйцо в пакет с водой. При падении с высоты 1,5 метра яйцо в пакете с водой разбилось. Нальем в пакет неньютоновскую жидкость и повторим опыт. Яйцо в пакете остается целым. При ударе слой жидкости в пакете проявил свойства упругого твердого тела и защитил яйцо от разбивания.
Использование неньютоновской жидкости для создания бронежилета
Мы знаем, что при резком воздействии на неньютоновскую жидкость, она проявляет свойства твердого тела. При этом в спокойном состоянии она текуча и эластична как жидкость.
Проведем серию опытов. За основу «бронежилета» возьмем тонкий пакет. Целью опытов будет определить, будет ли неньютонка защищать нижний слой пакета от повреждения в тех же условиях, в которых вода не сможет защитить.
Наполним пакет 600 мл воды, натянем пакет над стеклянным контейнером и бросим нож. Нож повредил оба слоя пакета, жидкость вытекла в емкость. Проведем тот же опыт с неньютоновской жидкостью. Нижний слой пакета остался целым! (Рис. 1). Неньютоновская жидкость смогла защитить от сквозного проникновения ножа.
Рис. 1. Исследование защитных свойств неньютоновской жидкости
По результатам опытов, исходя из защитных свойств неньютоновской жидкости, её можно будет использовать не только при производстве бронежилетов, но и для производства автомобильных бамперов, защитного спортивного снаряжения и защитных дорожных ограждений.
Заключение
В результате выполненных исследований опытным путем доказано, что существует жидкость, которая находится в промежуточном состоянии между жидкостью и твердым телом и которая при определенных условиях может обладать как свойствами жидкости, так и свойствами твердого тела.
По результатам опытов сделано заключение, что свойства данной жидкости не зависят от воздействия вибрации и прямолинейного равномерного движения жидкости и могут использоваться для создания защитного оборудования и снаряжения.
Литература:
- Басниев К. С., Дмитриев Н. М., Розенберг Г. Д. Нефтегазовая гидромеханика: Учебное пособие для вузов. — М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. 544 с.
- Кудинов В. А., Карташов Э. М., Коваленко А. Г., Кудинов И. В. Гидравлика: учеб. / В. А. Кудинов [и др.]; под ред. В. А. Кудинов; Самар.гос.техн.ун-т.- 4-е изд., перераб. и доп..- М., Юрайт, 2014.- 386 с.
- Неньютоновская жидкость. Галилео. https://youtu.be/ujozw8rYhfs.
