Опыты с неньютоновской жидкостью: какими свойствами обладает и как сделать своими руками

История неньютоновской жидкости

Еще в 1686 году Исаак Ньютон обратил внимание, что в жидкостях при движении одного слоя относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Поэтому жидкости, которое подчиняются этому закону, например, воду или бензин, называют ньютоновскими жидкостями.

В противовес этим жидкостям выступают неньютоновские. Они не обладают большой подвижностью и имеют касательные напряжения в состоянии покоя.

Кто изучает неньютоновские жидкости

Свойства неньютоновских жидкостей изучает наука реология (от греч. Rheos – течение, поток и logos – слово, учение), наука, изучающая деформационные свойства реальных тел, наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает действующие на тело механические напряжения и вызываемые ими деформации. Термин “реология” ввёл американский учёный-химик Юджин Бингам.

Официально термин “реология” принят на 3-м симпозиуме по пластичности (1929, США), однако отдельные положения реологии были установлены задолго до этого. Реология тесно переплетается с гидромеханикой, теориями упругости, пластичности и ползучести. В основу реологии легли законы Исаака Ньютона о сопротивлении движению вязкой жидкости, уравнения Навье — Стокса для движения несжимаемой вязкой жидкости, работы Дж. Максвелла, У. Томсона и др. Значительный вклад внесён русскими учёными: Д. И. Менделеевым, Н. П. Петровым, Ф. Н. Шведовым и советскими учёными П. А. Ребиндером, М. П. Воларовичем, Г. В. Виноградовым и др.

С проблемами реологии приходится встречаться в технике при разработке технологии разнообразных производственных процессов, при проектных работах и конструкторских расчётах, относящихся к самым различным материалам: металлам (особенно при высоких температурах), композиционным материалам, полимерным системам (расплавам, растворам, композиционным материалам, резине), нефтепродуктам, глинам и другим грунтам, горным породам, строительным материалам (бетонам, битумам, силикатам и др.), дисперсным системам (пенам, эмульсиям, суспензиям, порошкам, пастам) пищевым продуктам и т.д.

Подраздел реологии – биореология изучает механические свойства биологических жидкостей (крови, синовиальной, плевральной жидкостей) и деформационные свойства мышц, сосудов у человека и животных. Поэтому с практической точки зрения исследования в этой области актуальны и совершенно необходимы. С чисто научной точки зрения изучение неньютоновских жидкостей также очень интересно и актуально, поскольку даже в простых течениях они могут проявлять поведение, качественно отличающееся от поведения обычной ньютоновской жидкости.

Что такое неньютоновская жидкость?

Неньютоновская жидкость – это такая жидкость, у которой скорость течения пропорциональна касательному напряжению, где вязкость является коэффициентом пропорциональности. Как правило такая жидкость состоит из крупных молекул – они образовывают сложные пространственные структуры. В отличие от ньютоновской, неньютоновская имеет внутреннее трение, когда находится в состоянии покоя.

Степень вязкости изменяется в зависимости от того, насколько быстро происходят сдвиги слоев жидкости, пройденного времени и приложенных усилий. В отличие от воды или бензина, неньютоновская жидкость на плоских вертикальных поверхностях способна находиться в неподвижном состоянии благодаря возникновению порогового напряжения сдвига.

Если с неньютоновской жидкостью взаимодействовать медленно, она будет больше похожа на смазку, а если быстро – она станет похожа на твердое тело. Такое свойство неньютоновской жидкости можно сравнить с мокрым песком на пляже. Если по нему идти, то следы от ног будут более глубокие, чем если по нему бежать.

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.

Развлечения с крахмалом будут интересны и для взрослых.

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!

Применение неньютоновских жидкостей

На сегодняшний день неньютоновсские жидкости используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека рассмотрим некоторые из них:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

Способы создания ньютоновской жидкости дома

Итак, есть несколько простых способов, чтобы сделать ньютоновскую жидкость:

Особенности приготовления

Для создания неньютоновской жидкости в домашних условиях следует взять холодную воду, крахмал (кукурузный или картофельный – не важно), глубокую посудину. Алгоритм приготовления:

• Высыпайте крахмал в посудину (не бойтесь сыпать больше, чтобы получить достаточное количество субстанции);
• Добавляйте туда воду и медленно помешивайте смесь;
• Вода добавляется до тех пор, пока не получится масса, схожая с киселем;
• Мешать лучше руками, а также можно добавить краситель для получения цветной субстанции;
• Перемешивание нужно продолжать до образования однородной смеси.

Чтобы убедиться, что вы правильно смешали воду с крахмалом, рукой помешайте субстанцию, постепенно ускоряясь. Жидкость начнет затвердевать, а вы почувствуете, как сопротивление будет усиливаться с увеличением силы перемешивания. Как только рука остановится – смесь снова станет обычной жидкостью. После этого можно показывать фокус ребенку и играть с ним.

Неньютоновскую жидкость можно сделать с клеем ПВА и бурой, но тогда нужно пристально следить, чтобы дети не потянули интересную штуку в рот.

Для этого понадобится два стакана с водой (один заполнен наполовину, другой на три четверти), стакан клея и столовая ложка буры. Клей добавляют в более полный стакан, а буру в заполненный до половины.

Обе смеси тщательно размешивают и соединяют в одной посудине. Держать такую субстанцию лучше в холодильнике, ведь каждый раз готовить заново не очень удобно.

Первый способ

Вам необходимо смешать крахмал и воду, причем вымешивать такую смесь нужно тщательно, добавляя при этом воду. Если будет мало воды, то такая субстанция долго остается в твердом состоянии, если  вы добавляете много воды, то она очень быстро станет жидкой. Бывает и такое, что  воды у вас слишком много в миске, тогда нужно подождать немного: крахмал осядет, излишки воды вы можете слить  и  затем добавить некоторое количество крахмала.

Из полученного материала попробуйте сделать шарик, причем, если вы скатываете его быстро, он становится тверже, если вы делаете это медленно, то он будет растекаться по руке.

Второй способ или «флаббер обыкновенный»

В отдельную миску налейте 3/4 стакана воды и один стакан  клея ПВА, размешайте тщательно эти ингредиенты и приступайте к следующему этапу.

В другой миске вам необходимо смешать полстакана воды и 2 столовые ложки буры. Размешайте так, чтобы бура растворилась. Затем соедините два получившихся раствора и перемешайте.

Вы можете добавить краситель. После этого необходимо поместить полученную ньютоновскую жидкость в пакет, закрыть и размять. Полученную субстанцию можно хранить  в таком виде.

Третий способ « умный пластилин»

Для данного способа  вам понадобятся следующие компоненты: клей ПВА, тетрабарат натрия, пищевой краситель.

Берем миску, наливаем клей  (примерно 100 грамм), добавляем краситель и смешиваем. Далее вам нужно добавить тетрабарат натрия и перемешивать до тех пор, пока не образуется плотная масса.

Четвертый «Вкусный» рецепт неньютоновской жидкости

Этому рецепту особенно порадуются детки-сладкоежки.

Банку сгущенки выливаем в кастрюльку и ставим на небольшой огонь на плиту. Добавляем столовую ложку крахмала, помешиваем и варим, пока жидкость не загустеет. В полученную субстанцию также для красоты можно добавить пищевой краситель. После того как масса станет однородной и загустеет, необходимо снять ее с плиты и поставить остужаться. Когда дети вдоволь наиграются с тем, что получилось, сладкое вещество с удивительными свойствами можно будет съесть.

Как играть?

Разобравшись, как сделать дома неньютоновскую жидкость, возникает вопрос, что с нею делать. Дети могут сами убедиться в изменении ее свойств следующим образом:

• Раскатывая шарик в руках, который будет ощущаться как твердое тело, но сразу же растечется после прекращения воздействия;
• Разминая смесь в руках или выливая ее из одной посудины в другую (если лить с достаточной высоты, то в другой посудине она будет больше похожа на твердую глину);
• Используя мощные колонки, на которые кладется пленка и выливается жидкость (если включить песню с достаточными вибрациями, то получатся так называемые «прыгающие червячки»).

В процессе тестирования жидкости, возьмите посудину поглубже и сделайте так называемый бассейн для игрушки. Если ребенок будет пытаться ею прыгать или бежать по поверхности, то она останется твердой. Но стоит остановиться, как игрушка утонет, будто в обычной воде.

Исследуем неньютоновскую жидкость

Для начала можно просто потрогать чудо-жидкость руками. Если медленно зачерпнуть её ладошкой и расставить пальцы, то она начнёт стекать между ними. А если запустить всю кисть в миску, а затем попробовать резко её вытащить, то ничего не получится – рука застрянет.

Здесь как раз можно рассказать детям про болото и зыбучие пески. Трясина затягивает и не даёт резко выбраться по аналогичным причинам, поэтому из неё нужно высвобождаться медленно, постепенно.

Также предложите воспользоваться жидкостью как пластилином. Когда дети начнут лепить комочки, скручивать из субстанции шарики и сгребать её в горсть, они будут ощущать прикосновение твёрдого пластичного вещества. Но как только они остановятся, почувствуют, как жидкость «тает», просачивается сквозь пальцы.

Ещё можно попробовать перелить субстанцию из одной ёмкости в другую, она медленно будет сходить по стенкам. Но если вы решите перевернуть миску быстро, то ни одна капля не упадёт, вещество будто приклеилось ко дну.

Брызг, как у расплескавшейся воды, вы тоже не заметите, но попробовать их получить можно. Для этого нужно резко хлопнуть ладонью по поверхности или кинуть в тарелку шарик. Он просто увязнет, мягко приземлившись, и не оставит никаких всплесков.

Опускаем предметы

Ещё один опыт можно провести с погружением других игрушек. Сперва стоит попробовать покатать по поверхности шарик. Чем быстрее предмет «бегает» по неньютоновской жидкости, тем больше она по своему состоянию напоминает твёрдое вещество. Но как только мячик или игрушка останавливается, то сразу начинает плавно погружаться в крахмальную трясину.

Когда вы понаблюдали за погружением, попробуйте спасти «утопающего». Если потянуть игрушку вверх быстро, то она поднимется вместе с миской. Нужно плавно освобождать её из жидкости, только тогда получится добиться результата.

Неньютоновская жидкость и творчество

Предложите ребёнку порисовать. Но не обычными красками, а разноцветной неньютоновской жидкостью. Для этого добавьте в подготовленную субстанцию гуашь разных цветов. Когда масса получится однородной, её можно руками выливать на лист бумаги, формируя абстрактные узоры.

Добиться ровных линий у вас не получится, но они и не нужны. Пятна могут только отдалённо напоминать предметы, главное в творческом процессе – это воображение. Уже на холсте разноцветную жидкость можно немного передвигать, менять её форму.

Покажите детям, что даже чудесам всегда есть объяснение, физическое или химическое! Используйте для занятий веселые и любопытные опыты, развивайте детей через увлекательную науку.

Можно ли где-то использовать?

Несмотря на столь интересные свойства, неньютоновская жидкость не нашла своего практического применения. Ее характеристики настолько неустойчивы и трудно прогнозируемы, что даже в век развития технологий она годится только для игр с детьми.

Огромным достоинством жидкости является ее полная безопасность, поэтому родители могут играть даже с грудными детьми. Если малышу придет в голову попробовать необычную субстанцию, то вреда от этого не будет. Исключение составляют окрашенные жидкости, но если применять пищевые красители, то можно без опасений оставить ребенка одного с такой интересной игрой. Единственное: не удивляйтесь, если по возвращении застанете грязных ребенка, кухню и даже проходящего мимо кота.