Содержание
Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях?
Евгения Климкович
Здравствуйте, друзья! Приветствуем вас в нашей домашней лаборатории!
И чего уже только не делали юные экспериментаторы Артём и Александра. И цветное мороженное готовили, и йод в синий цвет окрашивали, и волшебные масляные капли изобретали. Но им все мало! И сегодня ребята решили выяснить, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях. Возможно ли это?
Как выяснилось, вполне возможно. Доказательство на видео ниже.
Объяснение
А что такое неньютоновская жидкость? И почему ее так называют?
Немного истории. В конце семнадцатого – начале восемнадцатого века в Англии жил-был знаменитый физик Исаак Ньютон. Это именно он открыл закон всемирного тяготения. Но сейчас не об этом.
Как-то раз Ньютон плавал себе на лодочке, сидя на веслах. И, так как Ньютон был очень внимательным человеком, то он заметил, что если грести веслами медленно и неторопливо, то весла сквозь воду будут проходить легко. А вот если приложить большую силу и начать грести намного быстрее, то весла проходят сквозь воду намного сложнее.
«Как же так?», — подумал физик. Думал он долго, проводил разные эксперименты и расчеты и в результате открыл еще один закон, который в самом простом изложении звучит так:
Вязкость жидкость увеличивается пропорционально силе воздействия на нее.
Вязкость, если попробовать сказать просто, это способность сопротивляться. Вы можете почувствовать это свойство воды во время купания в ванной. Попробуйте погрузить свою руку в воду медленно, вода не окажет вам сопротивления.
А если сильно хлопнуть по поверхности воды, то вы почувствуете ее сопротивление, может быть даже немного больно, так что осторожненько.
А можно ли воздействовать на воду с такой силой, чтобы она стала практически твердой? И может быть даже выдержала бы человека? Вот как на этом видео, например.
Что мы здесь видим? Человек бежит по воде. Невообразимо! Здорово! Видимо он бежит так быстро и так сильно воздействует на поверхность водоема, что жидкость становится настолько вязкой, что позволяет от себя отталкиваться.
Как выяснилось, это просто шутка. Люди на видео бегали не по воде, а по мосткам, которые они спрятали под водой.
А чтобы действительно бегать по воде человеку массой 74 кг и размером ноги 42, необходимо бежать со скоростью 150 км/ч!
Для справки. Самый высокоскоростной человек на планете – это Усейн Болт. Ямайский спортсмен. Его максимальная скорость – 37,578 км/ч.
Так что бег по воде – это что-то из области фантастики. И это относится не только к воде, но и к молоку или маслу. Да ко всем жидкостям, которые подчиняются закону Ньютона.
Для того, чтобы полученная субстанция стала очень твердой не требуется огромная сила. Достаточно совсем немножко постараться, и она уже изо всех сил сопротивляется. Именно по этой причине по неньютоновской жидкости можно бегать. Не верите? Посмотрите видео)
Интересно, не так ли?
Рецепт прост. Потребуется крахмал и вода, но только не горячая, а холодная. Опытным путем мы выяснили, что крахмала нужно положить в два раза больше, чем воды. Можно в воду добавить краситель, и тогда ваша слизь получится еще и цветной.
Можно ли обойтись без крахмала? Говорят, что можно, но мы не пробовали. Но рецепт будет таким:
В одной мисочке нужно смешать ¾ стакана воды с 1 стаканом клея ПВА.
В другой мисочке смешать ½ стакана воды и 2 ст. ложки буры.
Потом соединить эти два раствора и перемешать.
Согласитесь, что вариант с крахмалом и водой намного проще. Да и все ингредиенты дома, под рукой, или в ближайшем продуктовом магазине.
Где применяют неньютоновские жидкости? Их, таких аномальных, немало, они широко используются в различных отраслях промышленности. В нефтяной, например, в химической или перерабатывающей. Все эти жидкости являются искусственно созданными.
Но встречаются они и в природе. Например, болотная топь – это тоже неньютоновская жидкость. Подобно таким жидкостям ведут себя зыбучие пески в пустынях, они «засасывают» в себя все, что на них попадает.
Ну а мы, уже после завершения эксперимента и выключения видеокамеры, выяснили, что с такой аномальной жидкостью можно еще и в цирке выступать. Посмотрите видео)
Еще больше опытов с водой найдете здесь. В следующую субботу, наша домашняя лаборатория порадует вас новым экспериментом. Возможно, будем делать искусственный снег. Не пропустите)
Ваши, Артём, Александра и Евгения Климкович.
Что такое неньютоновская жидкость
Что же это за чудо-жидкость такая? С ньютоновской всё понятно: это любая жидкость, подчиняющаяся физическим законам Ньютона. А вот с неньютоновской – другая история. Как ни парадоксально это звучит, но открытие подобных жидкостей произошло благодаря работам Исаака Ньютона. Ученый заметил, что при уменьшении скорости механического воздействия на жидкости их сопротивление снижается, а впоследствии были обнаружены смеси, странное поведение которых не совсем вписывается в физические законы. Им и дали название неньютоновские.
Неньютоновская жидкость — вещество, которое при ударе, быстром сдавливании или попытке выплеснуть её из ёмкости затвердевает, а при медленном переливании или плавном опускании в неё разных предметов – остаётся жидкой.
Достигается этот эффект из-за особенного физического строения вещества: молекулы здесь крупные и в спокойном состоянии имеют жидкую структуру. Но как только на вещество начинает действовать механическая сила с ускорением, расстояние между молекулами резко сокращается и субстанция становится твёрдой.
Определение
Простое уравнение, описывающее силы вязкости в ньютоновской жидкости, во многом определяющие её поведение, основано на сдвиговом течении:
- τ=μ∂u∂y{\displaystyle \tau =\mu {\frac {\partial u}{\partial y}}},
где:
- τ{\displaystyle \tau } — касательное напряжение, вызываемое жидкостью, Па;
- μ{\displaystyle \mu } — динамический коэффициент вязкости — коэффициент пропорциональности, Па·с;
- ∂u∂y{\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial y}}} — производная скорости в направлении, перпендикулярном направлению сдвига, с−1.
Это уравнение обычно используют при течении жидкости в одном направлении, когда вектор скорости течения можно считать сонаправленным (параллельным) во всех точках рассматриваемого объёма жидкости.
Из определения, в частности, следует, что ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления (а также от химического состава, если жидкость не является беспримесной), и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода.
Если жидкость несжимаема и вязкость постоянна во всем объёме жидкости, то касательное напряжение в прямоугольной системе координат выражается уравнением:
- τij=μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi){\displaystyle \tau _{ij}=\mu \left({\frac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)}
с сопутствующим тензором напряжения P{\displaystyle \mathbb {P} } (также часто обозначается σ{\displaystyle \mathbf {\sigma } }):
- Pij=−pδij+μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi){\displaystyle \mathbb {P} _{ij}=-p\delta _{ij}+\mu \left({\frac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)},
где, согласно традиционным обозначениям тензора:
- τij{\displaystyle \tau _{ij}} — касательное напряжение на i{\displaystyle i}-й грани элемента жидкости в j{\displaystyle j}-м направлении;
- ui{\displaystyle u_{i}} — скорость в i{\displaystyle i}-м направлении;
- xj{\displaystyle x_{j}} — j{\displaystyle j}-я координата направления.
Если жидкость не подчиняется этим отношениям (вязкость изменяется в зависимости от скорости тока жидкости), то её в противоположность называют неньютоновской жидкостью: растворы полимеров, ряд твердых суспензий и большинство очень вязких жидкостей.
Рецепт неньютоновской жидкости
Для приготовления потребуется взять:
- Кукурузный или картофельный крахмал.
- Чистая вода нормальной комнатной температуры.
Пропорция смешивания 2: 1, то есть на два стакана крахмала нужен один стакан воды. Иногда предлагают более жидкий вариант 1: 1 или 3: 2. Вы можете понаблюдать за своими ощущениями, полученная консистенция должна напоминать сметану.
Емкость для смешивания может быть изготовлена из любого материала. Выбирайте миску такой формы и размера, чтобы она могла проходить через нее обеими руками, т. Е. Не слишком маленькой.
В каком порядке добавляются ингредиенты, значения не имеет. Уже во время смешивания вы и ваш малыш заметите первый любопытный узор. Если сильно мешать составу, крахмал как бы устоит, останутся частички, крупинки, не растворяясь полностью в воде. А если не замешивать тесто, а оставить его на несколько минут в миске, оно станет однородным.
Не используйте ложку, а тем более миксер. Пусть ребенок своими руками перемешает состав. Когда вещество будет готово, приступайте к экспериментам.
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.
Применение неньютоновских жидкостей
На сегодняшний день неньютоновсские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека рассмотрим некоторые из них:
- В военном масштабном производстве. В США на базе данных жидкостей, министерство обороны запустило производство универсальных бронежилетов для военных. Эти приспособления по своим характеристикам значительно лучше обычных, так как легче по весу и намного проще в изготовлении. Материал, из которого состоят эти бронежилеты, называется $d3o$. Данное сырье относят к дилатантным ньютоновским жидкостям.
- В автомобильной промышленности. Также неньютоновские жидкости применяются в автомобильной промышленности. Дизельные и моторные масла синтетического производства на основе изучаемых объектов постепенно уменьшают начальную вязкость в несколько десятков раз, при внезапном повышении оборотов двигателя, позволяя при этом в значительной степени уменьшить трение в моторе. Неньютоновские жидкости используют в новейших технологиях для осуществления качественной амортизации некоторых элементов механических машин. Реологические эксперименты позволяют решать сложные гидродинамические задачи.
- В нефтепромышленности. Практический и особый интерес представляет также активное использование специфических реологических методов. Так, небольшие полимерные добавки к нефтепродуктам и воде оснащают жидкость новыми реологическими свойствами, благодаря чему мгновенно снижается гидравлическое сопротивление при стремительном турбулентном течении. Неньютоновские жидкости обладают рядом уникальных особенностей, благодаря которым снижение силы трения происходит быстро и легко.
- В пожаротушении и мореплавание. В 50-е годы американские спасатели начали добавлять новые полимерные добавки в жидкость, которая вытекала из брандспойта, при этом длина струи возрастала в полтора раза. Можно также увеличить скорость судна посредством впрыскивания возле его носовой части малых количеств ньютоновского раствора. Имеется теория, что дельфины и другие обитатели океанов тоже «применяют» данный эффект для уменьшения нежелательного гидродинамического сопротивления.
- В косметологии. Чтобы косметика смогла в течение длительного времени держаться на коже, ее необходимо сделать вязкой, будь это блеск для губ или жидкий тональный крем. В массовом производстве косметики часто используют специальные вещества, которые называются модификаторами итоговой вязкости. В домашней косметике для аналогичных целей применяют разные масла и воск.
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.
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.
Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях – интересные опыты
- наберите полную руку жидкости и сделайте из нее шарик. Помните и сдавите в руке. Если будете скатывать шарик быстро – масса твердеет. Если скатывать медленно – жидкость растечется по руке.
- поместите кисть руки в жидкость и попробуйте резко вытянуть руку. Ваши руки будут, как бы зацементированы в массе, и поднимут миску с жидкостью в воздух;
- медленно опустите руку в жидкость и резко сожмите там пальцы. Увидите, что между пальцами появилась твердая прослойка;
- хлопните сильно по тарелке с жидкостью ладонью. Ваши зрители разбегутся в стороны, чтобы не испачкаться. Но необычная жидкость останется в миске;
- перелейте субстанцию из одной посудины в другую. Вы увидите, что жидкость сверху льется, а внизу застывает.
Неньютоновская жидкость, изготовленная в домашних условиях, нигде не применяется. Она предназначена для развлечения. Попробуйте придумать с ней что-то новое, творите и изобретайте. Детям очень нравятся подобные эксперименты!
Наверняка вы слышали о неньютоновской жидкости, не так ли? Даже если вы не слышали об этой загадочной субстанции, наверняка вам будет интересно узнать, что она собой представляет и почему у неё такое необычное название.
Как сделать неньютоновскую жидкость дома: рецепты
Она обладает особыми свойствами и может принимать форму и консистенцию как твердого тела, так и жидкого, в зависимости от воздействия. Непонятно, почему она получила такое название, ведь её свойства отличаются от ньютоновской жидкости. Её называют как ньютоновской, так и неньютоновской жидкостью. В любом случае, рецепты одни и те же, свойства тоже. У неё неоднородная структура, в её составе — крупные молекулы.
Ньютоновская жидкость популярна как среди детей, так и среди взрослых. Она поможет скоротать время и развлечься.
Как сделать ньютоновскую (неньютоновскую) жидкость в домашних условиях:
Рецепт №1. Смешиваем картофельный крахмал в количестве 250 грамм и 100 грамм воды комнатной температуры в миске.
Хорошенько мешаем, у вас должна получиться однородная масса без комков. При желании вы можете добавить в ньютоновскую жидкость пищевой краситель.
Скатываем из массы шарик, чем быстрее вы будете его катать, тем он будет тверже. Как только вы остановитесь, он снова превратится в жидкую смесь. Еще один вариант — лепить из смеси комочки, которые будут на ощупь как твердые. Но как только вы остановите лепку, они тут же вытекут сквозь пальцы.
Попробуйте еще один эксперимент: опустите медленно палец в смесь и вы увидите, что он входит в неё. Теперь попробуйте быстро ударить рукой или кулаком по ней и вы почувствуете, что она стала твердой.
Еще один эксперимент: Выливаем смесь на поднос, ставим его на музыкальную колонку и играющей музыкой. Вы увидите, что под воздействием громких звуков смесь начинает двигаться.
Бросаем мячик. Если вы сделали много неньютоновской жидкости в тазике или ведре, советуем что-нибудь бросить в емкость, например — мячик. Вы увидите, что брызг не будет.
Рецепт №2.
Налейте жидкий крахмал (разводим 1/3 стакана крахмала в ¼ стакана воды) в пакет небольшого размера. Сюда же добавляем пищевой краситель, ¼ стакана клея ПВА. Хорошенько перемешиваем, наш лизун-ньютоновская жидкость готов к использованию.
Чем объяснить такой феномен?
При сдавливании молекулы крахмала начинают соединяться, в результате смесь обретает твердую консистенцию. При отсутствии сжатия молекулы свободно двигаются и смесь становится жидкой.
Теперь вы знаете два простых рецепта неньютоновской жидкости. Уверены, вашим деткам понравятся такие эксперименты, но будьте готовы к тому, что рабочие поверхности будут испачканы. Развлечения с крахмалом будут интересны и для взрослых.
Мужской сайт сайт
ВОПРОС:
Что такое неньютоновская жидкость? Как ее сделать в домашних условиях?ОТВЕТ:
Неньютоновской жидкостью
называют жидкость, которая меняет свою вязкость в зависимости от градиента скорости. Она состоит из крупных молекул, которые образуют сложные неоднородные пространственные структуры. Это значит, что чем быстрее ударить (приложить внешнее воздействие
) по поверхности неньютоновской жидкости, тем больше становится ее вязкость.
Если медленно опустить пальцы в неньютоновской жидкость, то она будет все такой же жидкой, как обычная вода, не создавая никакого препятствия для вашей руки. Но если вы попытаетесь со всей силы ударить по поверхности неньютоновской жидкости, то вас ждет, как минимум, удивление, поскольку ее поверхность мгновенно превратится в упругую массу, которая не даст вашей руке погрузится вовнутрь нее!
