Практическое применение неньютоновской жидкости

Практическое применение неньютоновской жидкости

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………………	3
I.    Теоретическая часть……………………………………………………………………….	4
1.1. Неньютоновская жидкость – жидкость, вязкость которой зависит от градиента скорости………………………………………………………………………………………..	4
1.2. Виды неньютоновских жидкостей….…………………………………………………..	6
1.3. Разнообразие неньютовских жидкостей. Жидкости в природе и быту…...………	7
II. Практическая часть………………………………………………………………………..	9
2.1. Способы приготовления неньютоновских жидкостей……………………………….	9
2.2.Исследование свойств неньютоновских жидкостей…………………………………..	10
2.3. Эффекты неньютовских жидкостей……………………………………………………	12
Заключение……………………………………………………………………………………	13
Библиографический список…………………………………………………………………..	14

Введение

Жидкость окружает везде и всегда. Но что же такое жидкость, с научной точки зрения? Жидкость это - одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия. Жидкости бывают идеальные и реальные. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее, впоследствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости.[1]

Как у всего сущего на земле, у жидкости есть свои свойства, такие как: вязкость, плотность, текучесть, температура кипения и замерзания и многие другие, поэтому:

Цель работы: изучить свойства неньютоновских жидкостей для дальнейшего практического применения.

Для реализации цели необходимо решить следующие задачи:

1.    Доказать отличия ньютоновской жидкости от неньютоновской жидкости.

2.    Изучить и сравнить свойства неньютоновских жидкостей.

3.    Исследовать применение неньютоновских жидкостей.

Гипотеза: возможно ли приготовление и исследование неньютоновских жидкостей в домашних условиях с целью дальнейшего практического применения.

Объект исследования: процесс приготовления неньютоновских жидкостей.

Предмет исследования: состав неньютоновских жидкостей, измерение плотности, коэффициента вязкости, коэффициента поверхностного натяжения.

Методы исследования:

· наблюдение; проведение эксперимента; сравнение и анализ полученных результатов.

Актуальность: углубление знаний в области потоков вязких и аномально-вязких жидкостей, а также расширения знаний о природе гидравлических сопротивлений.

I.1. Теоретическая часть

I. 1. Неньютоновская жидкость – жидкость, вязкость которой зависит от градиента скорости

Все обладающие вязкостью жидкости подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновскими жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона.

                                                                       (1)

Ньютоновские жидкости имеют вязкость, не зависящую от силы (а точнее, от изменения скорости деформации), которую к ним прикладывают. Следует пояснить, что вязкость – это коэффициент пропорциональности между образующейся в жидкости в ответ на деформацию силой вязкого трения (а точнее, касательного напряжения), и изменением скорости этой деформации.

Вязкость – это коэффициент пропорциональности между образовавшейся в жидкости в ответ на деформацию силой вязкого трения (а точнее, касательного напряжения), и с изменением скорости этой деформации.

 

Рис. 1. Кривые течения жидкостей.

Кривая течения ньютоновских жидкостей (график № 4), то есть график зависимости касательного напряжения от градиента скорости, представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат.

Наклон этой прямой пропорционален вязкости ньютоновской жидкости. Вязкость ньютоновской жидкости зависит только от температуры и давления и полностью характеризует поведение жидкости. Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.д.[2]

Неньютоновские жидкости называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Таких жидкостей в гидравлике немало: широкое распространение в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленностей.

I.2. Виды неньютоновских жидкостей

Все неньютоновские жидкости можно разделить на три группы:

1.  Неньютоновские вязкие жидкости. 2. Неньютоновские нереостабильные жидкости. 3.  Неньютоновские вязкоупругие жидкости.

Кривые течения жидкостей на рисунке 1.

1 - нелинейновязкопластичная, 2 - вязкопластичная, 3 – псевдопластичная, 4 – ньютоновская, 5 – дилатантная.

Неньютоновские вязкие жидкости характеризуются тем, что их свойства не зависят от времени, а касательное напряжение является простой функцией градиента скорости. Они подразделяются на:

вязкопластичные жидкости; псевдопластичные жидкости; дилатантные жидкости;

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.

Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.

К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы. [3]                                                                                 

I.3. Разнообразие неньютовских жидкостей. Жидкости в природе и быту

Неньютоновские жидкости часто встречаются в природе:

Цельная кровь (суспензия эритроцитов в белковом растворе - плазме) является неньютоновской жидкостью вследствие агрегации эритроцитов.

Эритроцит в норме имеет форму двояковогнутого диска диаметром около 8 мкм. Он может существенно менять свою форму. В неподвижной крови эритроциты агрегируют, образуя так называемые «монетные столбики», состоящие из 6-8 эритроцитов.

При протекании крови по капиллярам агрегаты эритроцитов распадаются и вязкость падают.

Зыбучий песок, так же, как и разные виды так называемых неньютоновских жидкостей, обладает свойства 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.

Скотт Вайтукатис и Генрих Йегер из Университета в Чикаго создали из воды и кукурузной муки субстанцию, подобную зыбучему песку, назвав её «ооблек».

Трясина — зыбкое, топкое болотистое место, в котором под покровом мхов, травы и торфа имеется слой воды или жидкого ила. 

Трясина является неньютоновской жидкостью. Она относится к классу так называемых бингамовских жидкостей, свойства которых описываются уравнением Бингама-Шведова.

Неньютовские жидкости широко применяются в быту, вот лишь малый список примеров: кетчуп, сгущенка, мёд, соусы, кисель.

Неньютоновские жидкости находят своё применение даже в косметологии: крема, тональные основы.

Кроме того, они имеют весьма широкое применение и в технике. Следует особо подчеркнуть широкое использование неньютоновских жидкостей в нефтяной промышленности, где они применяются во многих производственных процессах, перемещаются по гидравлическим системам различного назначения и конструкции и характеризуются при этом большим разнообразием химического состава и физических свойств.

Несмотря на широкий спектр встречаемости неньютоновских жидкостей, они все подчиняются одному закону: их вязкость зависит от градиента скорости. Это можно подтвердить как теоретически, так и практически, основываясь на наблюдениях и опытах.

II.          Практическая часть

II.1. Способы приготовления неньютоновских жидкостей

1.      Приготовление дилатантной жидкости или жидкости на основе крахмала.

Как уже говорилось ранее, к дилатантным неньютоновским относятся жидкости с большим содержанием твердых частиц.

Для приготовления дилатантной жидкости необходимо:

·         крахмал 200 гр. (см. Приложение 1); вода 100 гр. (t=20°C);

Тщательно перемешать в течение 2-3 минут.

Для того, чтобы понять, готова ли неньютоновская жидкость, нужно попробовать скатать из неё шарик, если шарик скатывается, держится хотя бы 10-15 секунд, а потом растекается, то жидкость готова (см. Приложение 2).

2.      Приготовление бингамовской (вязкопластичной) жидкости или «умный пластилин - handgum».

Понятие о пластичных жидкостях впервые ввел Бингам, поэтому их называют бингамовскими вязкопластичными жидкостями или бингамовскими телами.

Они отличаются от ньютоновских жидкостей тем, что для инициирования течения  требуется приложить некоторое конечное напряжение

Для приготовление бингамовской жидкости необходимо:

·         Клей ПВА 100 гр. Тетраборат натрия 20 % 30 мл.

Мешать клей, постепенно добавляя малыми порциями тетраборат натрия, до тех пор, пока клей не начнет становится неоднородным, похожим на крупу. После этого, полученную смесь необходимо выложить на бумагу или салфетку, затем размять в полиэтиленовом пакете. Умный пластилин готов.

I.          2 Исследование свойств неньютоновских жидкостей

1.      Измерение плотностей неньютоновских жидкостей

Приборы: электронные весы. Предел измерения – 200 г., точность 0,01. Измерительный цилиндр: предел измерения – 50 см³, точность – 1 см³.

1). Измерение плотности дилатантной жидкости:

Таблица №1. Расчёт плотности жидкости

№	m, г	V,	𝝆,	𝝆,
1	33	20	1,65	1650
2	22,6	20	1,13	1130
3	29,6	20	1,48	1480
4	21,9	20	1,095	1095
rср.				1338,75

2). Измерение плотности бингамовской жидкости:

m = 9, 36 г. V = 8 см³  r = 1,17 г/см³ = 1170 кг/м³.

(так как данная жидкость была сделана в ограниченном количестве, то измерение проводилось один раз).

2.      Измерение коэффициента вязкости по формуле Стокса.[5]

Приборы: измерительный цилиндр, металлический шарик, динамометр, линейка, секундомер электронный.

= F +, где F – сила вязкости, согласно формуле Стокса:

F = 6π𝜼r, где r – радиус шарика, r = 0,75 х 10^-2 м, 𝜼 – вязкость  – скорость шарика. F = - , т.к – сила тяжести, то  – mg, F = 0,3 Н.  – сила Архимеда .  = g =>

6π𝜼r =

𝜼 =

Таблица №1. Расчёт скорости.

№	t, с	S, см	𝝊,	𝝊,
1	8,69	24	2,761	0,0276
2	13,77	21	1,525	0,0152
3	14,28	21	1,47	0,0146
4	19,99	23	1,15	0,0114
	Ср.скор		1,7265	0,0172

Подставим полученные значения в формулу для вычисления коэффициента вязкости

123,37 Па·с

(у бингамовской жидкости коэффициент вязкости не определён, но визуально можно определить, что вязкость данной жидкости больше, чем дилатантной.)

Для того, чтобы подтвердить свойства неньютоновской жидкости и установить, является ли течение неньютоновской жидкости ламинарным, необходимо вычислить число Рейнольдса.

[5]

r - плотность жидкости, h - коэффициент динамической вязкости, u - скорость потока,

d  - диаметр трубки, в которую бросали шарик. = 3 см = 0,03 м. подставив числовые значения, получим: = 0,006

Таким образом, полученное нами число гораздо меньше критического значения числа Рейнольдса (2300), что подтверждает ламинарное течение неньютоновской жидкости.

II.3. Эффекты неньютовских жидкостей

Эффект Вайсенберга. Если исследуемая нами жидкость находится в кольцевом зазоре между двумя вертикально расположенными концентрическими цилиндрами, внутренний цилиндр вращается с некоторой угловой скоростью. В случае ньютоновской жидкости вследствие действия центробежных сил, обусловленных вращением жидкости, около внутреннего цилиндра уровень жидкости понижается, а вблизи внешнего — повышаетсяДля проведения данного опыта был использован домашний миксер для увеличения скорости вращения.[4]

Вывод: наблюдаемый нами эффект наблюдался слабо.

Разбухание струи (Барус—эффект). При вытекании ньютоновской жидкости из трубки диаметр струи вследствие закона сохранения количества движения вниз по потоку сужается по сравнению с диаметром отверстия. При истечении из трубы вязкоупругой жидкости наблюдается расширение диаметра струи до размеров значительно больше диаметра трубки, иногда превосходящих размер отверстия в три-четыре раза. Изменение формы жидкости после выхода из трубы было впервые замечено американским биологом Д. Барусом, который для опытов использовал очень вязкий материал, называемый корабельной клеевой краской.

При вытекании в открытое пространство ограничивающих стенок нет и под действием релаксирующих нормальных напряжений струя разбухает.[4]

Вывод: наблюдаемый нами эффект проявлялся.

Жидкий канат. Если тяжелую нефть, густое масло или мед лить на тарелку с достаточно большой высоты, то на некотором расстоянии от тарелки струйка жидкости начинает закручиваться колечками. Это связано с тем, что, падая, струйка сжимается и выгибается. Вследствие действия упругих напряжений струйка не может разорваться. Поэтому, если количество падающей жидкости больше, чем может сразу поглотить жидкость, находящаяся в тарелке, то струйка начинает завиваться. Витки некоторое время находятся на поверхности, постепенно поглощаясь слоем жидкости.

Заключение

В процессе написания работы, вывод о том, что неньютоновские жидкости окружают нас повсеместно. К таким жидкостям относятся глинистые растворы, загущенные нефтепродукты, растворы полимеров, краски, продукты лесохимической и пищевой промышленности, кровь.

А также подтверждается гипотеза о том, что неньютоновские жидкости реально приготовить в домашних условиях. И не просто приготовить, а провести начальные исследования, которые свидетельствуют о том, что плотность неньютоновской жидкости превышает плотность воды. В ходе наблюдений и проведенных опытов, можно говорить о практическом применении неньютоновской жидкости:

1.      создание защитных устройств от ударов (это создание специальных сумок для ношения хрупких предметов, а также создание защитных устройств для детей, которые учатся ходить);

2.      покрытие для дорог в специальных пакетах;

3.      учитывая ламинарное течение жидкости, такие жидкости можно использовать в нефтеперегонке, что достаточно актуально в наше время.

Недостатком неньютоновской жидкости на основе крахмала является то, что она очень быстро испаряется, поэтому лучше использовать жидкости в воздухонепроницаемых контейнерах или пакетах. Кроме того, целесообразнее использовать другие виды неньютоновских жидкостей, например, жидкость на основе клея ПВА и тетрабората натрия.

Библиографический список

1.      Березин Ю.А. Сподарева Л.А. Анализ устойчивости тонкого слоя гранулированного материала, движущегося по наклонной плоскости // ПМТФ. 1998. Т. 39 № 6. С.133-117.

2.      Шульман З.П., Берковский Б.М. Пограничный слой неньютоновских жидкостей. Минск. Наука и техника. 1966.

3.      Федорова В.Н., Фаустов Е.В.. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами : учеб. пособие / - 2008. - 592 с.

4.      http://msalimov.narod.ru/ - Способ измерения вязкости текучих, грубодисперсных систем.

5.      Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.