Исследовательская работа "Мы знаем точно невозможное возможно" (неньютоновская жидкость)

МЫ ЗНАЕМ ТОЧНО НЕВОЗМОЖНОЕ ВОЗМОЖНО

А.А. Ионова, А.В. Митерёва

Россия, МБОУ гимназия №16 города Орла

научный руководитель: Е.А. Архипова, учитель физики МБОУ гимназии №16 г.Орла 

[e-mail]      [e-mail]

        В работе рассказывается о существовании жидкости, которая в определенных условиях проявляет свойства твердого тела.

      «Она была на воде, невдалеке, с правой стороны, и её медленно относило волной. Она отступала, полуоборотясь ко мне… Видя, что я смотрю, она кивнула и сказала: «Это не так трудно, как я думала. Передайте моему жениху, что он меня более не увидит. Прощай и ты, милый отец! Прощай, моя родина!»… И вот, с волны на волну, прыгая и перескакивая, Фрези Грант побежала к тому острову. Тогда опустился туман, вода дрогнула, и, когда туман рассеялся, не видно было ни девушки, ни того острова…» (А.Грин «Бегущая по волнам»). Прочитав роман Александра Грина «Бегущая по волнам» нам стало интересно может ли в действительности человек ходить по воде как Фрези Грант?

Цель нашей работы:

- возможно ли передвижение человека по воде или другой жидкости

- выяснить существует ли жидкость, обладающая свойствами твердого тела

- изучить её свойства опытным путем

Передвижение по воде

    Вода считается самым необычным минералом на Земле по мнению некоторых геологов. Помимо того, что благодаря воде вообще существует жизнь на нашей планете, она обладает рядом интересных физических особенностей: например, образует поверхностную пленку натяжения, настолько прочную, что при определенной ловкости рук на нее можно положить металлическую иголку. Некоторые небольшие насекомые, такие как водомерки, пользуются этим и очень быстро гоняют по поверхности воды, как конькобежцы по льду. Или улитки, которые прилепляются своей ногой к нижней части этой пленки и ползут по ней, как будто это твердая поверхность. Вода - достаточно плотная среда, в 800 раз плотнее воздуха, и по ней мог бы ходить и человек, но только если бы развивал скорость 140 км/ч(39 м/с).  Кажется, что никакое существо тяжелее улитки не может так смело опираться на нее, будто на земную твердь. Но такое существо есть, и оно намного тяжелее улитки. "Это был василиск, - писал американский зоолог Арчи Карр, зеленый, как салат, с яркими глазами, около 14 дюймов в длину. Потеряв равновесие, он камнем упал в черную реку и сразу погрузился в воду, но через мгновенье очутился на поверхности и побежал по воде. Передние лапы он нес перед собой, хвост изогнул кверху, а задними лапами молотил поверхность воды со скоростью пулемета. Быстрота шлепанья была столь значительна, что ящерица не тонула». Таким образом, мы выяснили, что передвижение человека по воде невозможно, но, тем не менее возможно передвижение  некоторых насекомых и животных.  

Жидкость способная быть твердой

  Так может существует жидкость по которой возможно передвижение человека? Изучив справочные материалы мы выяснили, что существует Неньюто́новская жи́дкость - вязкая жидкость, коэффициент вязкости которой зависит от приложенного напряжения.  Рассмотрим графики зависимости кривых текучести   - t  и зависимости эффективной вязкости h от напряжения сдвига t.

а - диаграмма для Ньютоновской жидкости;

б, г - диаграммы для Неньютоновских жидкостей у которых вязкость снижается с ростом текучести и напряжения;

в - диаграмма для Неньютоновской жидкости у которой вязкость повышается с ростом текучести и напряжения;

д - диаграмма для вязкопластического тела с пределом текучести q;

Если вязкость жидкости постоянна, то жидкость называется Ньютоновской, а её кривая текучести - прямая линия (линейная зависимость), в случае Неньютоновской жидкости зависимость нелинейная.

Опыты с неньютоновской жидкостью

   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 с большей скоростью происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше  вязкость жидкости. Приготовив такую жидкость, мы провели опыты:

-Налив жидкость в ладонь быстрыми движениями скатали шарик, при остановке движения жидкость стекла сквозь пальцы.

 -При медленном опускании пальцев и ладони в жидкость, Неньютоновская жидкость ведет себя как обычная, но стоит резко выдернуть ладони, как она твердеет и мы наблюдаем поднятие стеклянной миски вместе с ладонями.

 -При резком ударе пальцем или кулаком ощущаем твердую поверхность, а руки остаются чистыми.

-Попробуем забить гвоздь на поверхности воды, ничего не получается, а на поверхности Неньютоновской жидкости это получается с первого раза. При резком ударе жидкость мгновенно твердеет. Брусок остается на поверхности и гвоздь легко заходит в дерево.

-Поместим яйцо в пакет с водой и бросим с некоторой высоты, при ударе яйцо разбилось. Проделаем то же самое, но вместо воды поместим яйцо в Неньютоновскую жидкость. После падения яйцо остаётся невредимым.

-А сможет ли такая жидкость выдержать вес человека, возможно ли человеку передвигаться по ней? Для проведения такого опыта необходима емкость большого размера, поэтому нам пришлось найти в Интернете видеосюжет, который прекрасно подтверждает, что по поверхности жидкости можно не только ходить, бегать, но и даже танцевать, главное помнить, что Неньютоновская жидкость твердая пока есть движение, а в состоянии покоя твердость теряется.

   Вывод: В результате проведенных опытов мы выяснили, что для того, чтобы неньютоновская жидкость оставалась твердой на неё непрерывно надо воздействовать или месить. При смешивании крахмала с водой частицы крахмала набухают и между ними формируются физические контакты в виде хаотически сплетенных между собой групп молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места и система реагирует на внешнее воздействие как упругая пружина. При медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться, сетка рвется и молекулы равномерно расходятся. При быстром  взаимодействии неньютоновская жидкость ведет себя как твердое тело, а при медленном как обычная жидкость. Мы выяснили, что человек может ходить по воде, если только немного изменить её свойства, а значит мы знаем точно невозможное возможно!

Применение

      Неньютоновские жидкости используются в автопроме, моторные масла синтетического производства уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение в двигатели. Для того чтобы защитить авиапассажиров разработана «жидкая сумка», которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. Неньютоновская жидкость может служить отличной «упаковкой» для взрывоопасных грузов и использоваться в бронежилетах.

Литература

1. Уилкинсон У. Л., Неньютоновские жидкости, пер. с англ., М., 1964

2. Астарита Д ж., Марруччи Д ж., Основы гидромеханики неньютоновских  

    жидкостей, пер. с англ., М., 1978

3. Энциклопедия Физики и техники. www.femto.com.ua

4. http://ru.wikipedia.org/wiki-неньютоновская жидкость

5. http://zablugdeniyam-net.ru/zhivotnye/po-vode-mogut-begat-tolko-nasekomye/

6. http://www.youtube.com/watch?v=ujozw8rYhfs