Ньютоновская жидкость как. Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях

И в основном с точки зрения практики (в качестве описания и в виде ).

Неньютоновская жидкость и жвачка для рук (также известная как хендгам) — это одного поля ягоды. Вернее, второе — частный случай первого. А первое — более общая категория 🙂 Итак, начнём с определения:

Неньютоновская жидкость — это жидкость, которая временами ведёт себя как твёрдое тело. А временами — как жидкость. Так, обычная жидкость может растекаться, течь. И неньютоновская жидкость это может. С другой стороны, обычная жидкость не может быть твёрдой, отскакивать, образовывать — а неньютоновская может. В общем, результат получается весьма интересный. Причина этого результата в том, что данные жидкости чаще всего созданы из больших полимерных молекул, "сцепление" между которыми не очень велико, и эти молекулы могут достаточно свободно скользить относительно друг друга (почти получается).

Так, например, если взять неньютоновскую жидкость типа "шампунь" и под достаточным напором и верным углом выливать её на твёрдую поверхность, то можно увидеть, как струйка шампуня отскакивает от поверхности и образует дугу — прямо как на этом :

Кстати, данный эффект имеет своё название: "Эффект Кея". При определённой сноровке (где-то на десятой баночке шампуня) также круто делать можете научиться и вы 🙂 Но закончим с теорией и перейдём к обещанной практике:

Мы предлагаем вам два способа получить неньютоновскую жидкость. Первый — это чуть более грязный, второй — чуть менее надёжный, хоть и более зрелищный.

Итак, неньютоновская жидкость из крахмала и воды.

Для приготовления нам нужны крахмал (картофельный, кукурузный — любой) и вода. Пропорция зависит от качества крахмала и обычно составляет от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В в результате смешивания мы получаем нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами. Так, если в ёмкость со смесью медленно ввести руку, то результат точно такой же, как если бы мы ввели руку в воду. Но если размахнуться как следует и стукнуть по этой смеси, то рука отскочит, как если бы это было твёрдое вещество.

Также если лить такую смесь с достаточной высоты, то в верхней части струи она будет течь, как жидкость. А в нижней — скапливаться комками, как твёрдое вещество. Кроме того, можно засунуть руку в жидкость и резко сжать пальцы. Вы почувствуете, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка. Или ещё один эксперимент — сунуть руку в этот "кисель" и резко попытаться её вытянуть. Большая вероятность, что ёмкость поднимется вслед за рукой.

Если вы заметили, то описанное поведение смеси достаточно похоже на поведение теста. Поэтому скорее всего, если вы решите сделать эту смесь менее грязной, то можно туда насыпать чуть-чуть муки. Видео в тему (о том, что можно делать с неньютоновской жидкостью):

И на этой радостной ноте переходим ко второму способу приготовления неньютоновской жидкости:

Почти неньютоновская жидкость из тетрабората натрия (буры) и клея ПВА.

Как понятно из названия, для этого опыта, результаты которого более похожи на хэндгам (жвачку для рук), необходимы тетраборат натрия (бура), которую можно достать в аптеке или на рынке у старушек, и клей ПВА. Пропорции смешивания также зависят от качества ингридиентов, и поэтому разнятся от рецепта к рецепту. Чаще всего это клей: тетраборат = от 1:1 до 1:4.

Для справки: тетраборат натрия («бура») — Na2B4O7, соль слабой борной кислоты и сильного основания, распространённое соединение бора, имеет несколько кристаллогидратов, широко применяется в технике.

Основной принцип — очень тщательно и быстро мешать. Наша задача — равномерно распределить буру в объёме клея ПВА до тех пор, пока не началось физико-химическое взаимодействие между ними, которое может сделать невозможным дальнейшее перемешивание (равно как и образование желаемого хендгама). В общем, в результате может получится творог. Поэтому данный способ и назван менее надёжным. Хотя и более чистым — после сделанного хендгама руки не остаются в потёках крахмала.

Хотя есть совет — оставить смесь на пару часиков в герметично закрытой ёмкости для расстаивания. Обещанный видео-урок, как сделать жвачку для рук с помощью буры и клея ПВА :

По поводу клея ПВА: есть мнение, что марка ПВА-М не подходит для таких экспериментов.

Кстати, второй вариант называется "почти неньютоновская жидкость", поскольку смесь, хоть и не липнет к рукам, не всегда хочет стекать, отскакивать от пола и капать. Хотя в остальном — всё ок 🙂

В обоих случаях в смесь можно добавить какой-нибудь краситель, и тогда результат будет более весёлым.

Если подумать, то можно предположить, что бура, добавленная в первом случае, к крахмалу и воде, также может оказать дополнительный эффект, уменьшающий грязность этого способа. А крахмал, добавленный ко второму рецепту может замедлить схватывание и застывание клея со временем. Также возможно применение буры в сухом виде.

Удачных экспериментов с неньютоновскими жидкостями!

…материал, который обладает удивительными
свойствами: при малых нагрузках он мягкий
и эластичный, а при больших – становится
твердым и очень упругим.

Ни один человек не может уйти от реального материального мира, окружающего его и в котором он сам живёт. Природа, быт, техника и всё то, что нас окружает и в нас самих происходит, подчинено единым законам происхождения и развития – законам ФИЗИКИ.

Природа – настоящая физическая лаборатория, в которой человек должен быть активным наблюдателем, творцом, но не рабом природы, неспособным хотя бы приближенно объяснить наблюдаемые им природные явления. С самого рождения каждый человек знакомится с веществами, окружающими его, подрастая, человек начинает отличать разного рода жидкости от газов или твёрдых тел, понимая, какие отличительные свойства присущи веществам. В малом возрасте ребёнок не сильно задумывается над этими интересными признаками, не понимает, почему вода - это жидкость, а снег - твёрдое тело… Чем старше становится человек, тем шире становится область его знаний, тем глубже он понимает суть вещей. Так, для каждого человека наступает момент, когда под понятием жидкость он будет понимать не просто молоко или же воду, он поймёт, что жидкость, как и любой другой род материи, имеет свою классификацию, основные свойства. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости делят на идеальные и реальные. Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью. Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Актуальность проекта:

Нас окружает огромное количество жидкостей. Жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся. Мы все время сталкиваемся с использованием жидкостей, пьем чай, моем руки, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду. Основным свойством жидкости является то, что она способна менять свою форму под действием механического воздействия.
Но оказалось, что не все жидкости ведут себя привычным образом. Это так называемые неньютоновские жидкости. Мы заинтересовалась необычными свойствами таких жидкостей и провели несколько опытов.

Гипотеза:
Провести опыты, в которых наглядно можно увидеть некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей.

Цели проекта:
Получить неньютоновскую жидкость
Изучить некоторые физические свойства неньютоновской жидкости

Задачи проекта:
Собрать теоретический материал о неньютоновской жидкости
Опытным путём изучить некоторые физические свойства неньютоновских жидкостей (плотность, температура кипения, температура кристаллизации)
Узнать область применения неньютоновских жидкостей

Методы исследования:
Наблюдение
Изучение теоретических материалов
Проведение опытов
Анализ

Теоретическая часть

Жидкость - это одно из состояний вещества. Таких состояний три, их еще называют агрегатными, это газ, жидкость и твердое вещество. Жидким вещество называют, если оно обладает свойством неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью объёма под воздействием внешних сил. Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими.

К ньютоновским относятся однородные жидкости. Ньютоновская жидкость – это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние, что бы вы с ними не делали (если речь не идет об испарении или замораживании, конечно).

Другое дело - это неньютоновские жидкости. Их особенность заключена в том, что их текучие свойства колеблются в зависимости от скорости ее тока.

Еще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее. Ньютон пришел к изучению течения жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной система посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. В своих наблюдениях он установил, что если поддерживать вращение цилиндра, то оно постепенно передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие одинаковое распространение. Исторически, эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии.

Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими. Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но даже звуковыми волнами и электромагнитными полями. Если воздействовать механически на обычную жидкость, то, чем большее будет воздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами, чем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. 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, вследствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости тока жидкости.

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.

Применение неньютоновских жидкостей

В мире, как ни странно, очень популярны данные жидкости. При исследовании неньютоновских жидкостей в первую очередь изучают их вязкость. Знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают и в медицине, и в технике, и в кулинарии, и в производстве косметики.

Применение в косметологии

Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найти идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.

Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Блеск для губ, например, должен быть достаточно вязким, чтобы долго оставаться на губах, но не слишком вязким, иначе тем, кто им пользуется, будет неприятно ощущать на губах что-то липкое. В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. В домашней косметике для тех же целей используют разные масла и воск.

В гелях для душа вязкость регулируют для того, чтобы они оставались на теле достаточно долго, чтобы смыть грязь, но не дольше, чем нужно, иначе человек почувствует себя снова грязным. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости.

Наибольшая вязкость - у мазей. Вязкость кремов - ниже, а лосьоны - наименее вязкие. Благодаря этому лосьоны ложатся на кожу более тонким слоем, чем мази и кремы, и действуют на кожу освежающе. По сравнению с более вязкой косметикой, их приятно использовать даже летом, хотя втирать их нужно сильнее и чаще приходится наносить повторно, так как они долго не задерживаются на коже. Кремы и мази дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее ее увлажняют. Их особенно хорошо использовать зимой, когда в воздухе меньше влаги. В холодную погоду, когда кожа сохнет и трескается, очень помогают такие средства как, например, масло для тела - это что-то среднее между мазью и кремом. Мази намного дольше впитываются и после них кожа остается жирной, но они намного дольше остаются на теле. Поэтому их часто используют в медицине.

От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.

Применение в кулинарии
Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания.

Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте. В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин, или майонез - тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму. Самые известные примеры таких салатов - селедка под шубой и оливье. Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму.

Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд. Например, йогурт или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.

Применение в медицине

В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. По сравнению с кровью нормальной вязкости, густая и вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, что ограничивает поступление питательных веществ и кислорода в органы и ткани, и даже в мозг. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать.

Применение в технике

Неньютоновские жидкости используются в автопроме, моторные масла синтетического производства на основе неньютоновских жидкостей уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз, при повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение в двигатели.

Заключение и выводы

В результате проделанной работы был проведён обзор теоретических источников информации. Проведена серия экспериментов с неньютоновской жидкостью, рассчитали плотность, определили температуру кипения и кристаллизации неньютоновских жидкостей.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Если мешаем быстро неньютоновскую жидкость, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет. При быстром движении такая жидкость ведёт себя как твердое тело.
2. При изменении температуры изменяется плотность жидкости.

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.
По итогам работы были выполнены все поставленные задачи и сделаны все запланированные опыты. Проведенные опыты и презентация проиллюстрировали цель проделанной нами работы.

Литература

Методические материалы:

1. А. В.Перышкин. Физика 7 класс, Дрофа, Москва 2008 г.
2. Зарембо Л.К., Болотовский Б.М., Стаханов И.П. и др. Школьникам о современной физике. Просвещение,2006г.
3. Кабардин О.Ф., Физика, справочные материалы, Просвещение, 1988

Работу выполнили :
Скибин Илья, ученик 9 класса
Харитонов Вадим, ученик 9 класса

Руководитель :
Гиевская Людмила Ивановна
учитель физики

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение
Новокалитвенская средняя общеобразовательная школа
Россошанского муниципального района
Воронежской области

Первые научные работы о характеристиках неньютоновских жидкостей появились еще в 50-х годах прошлого столетия и были непосредственно связаны со стремительным развитием бионики, биомеханики, биогидродинамики и пищевой промышленности. Широкое применение нанопорошковых и полимерных присадок в целом ряде сложных задач гидродинамики на сегодняшний день вновь вызвало небывалый интерес к неньютоновским жидкостям.

Рисунок 1. Примеры неньютоновской жидкости. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Самым известным и распространенным примером указанных элементов являются зыбучие пески. Зыбучие пески крайне опасны тем, что они способны засасывать в себя абсолютно все, что в них попадает. Стань на такой песок - и начнешь сразу тонуть в нем, однако если же быстро и сильно ударить по зыбучему песку, то он на мгновенье затвердеет.

Определение 1

Свойства неньютоновских жидкостей исследует наука реология, методы и принципы которой направлены на изучение деформационных положений реальных тел и нюансов текучести физического вещества.

Реология также рассматривает действующие на материальное тело механические напряжения и вызываемые в результате этого эффекта деформации.

Термин "реология" ввёл выдающийся американский физик-теоретик Юджин Бингам. Официально данное определение было учреждено на 3-м симпозиуме по пластичности на территории США в 1929 году, однако отдельные положения реологии устанавливались задолго до этого.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Определение 2

Если в движущихся частицах их вязкость зависит только от природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие элементы в физике называют ньютоновскими.

Реальные жидкости на практике могут быть неньютоновскими и ньютоновскими.

В ньютоновских веществах при движении одного потока жидкости относительно другого показатель касательного внутреннего напряжения пропорционален скорости сдвига.

При относительном и стабильном покое эти напряжения всегда равны нулю. Такая закономерность была впервые установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти объекты (масло, вода, бензин, глицерин, керосин и др.) носят названия ньютоновские. Указанные жидкости не оснащены большой подвижностью и отличаются от неньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений в состоянии покоя.

Замечание 1

Ньютоновскими считаются достаточно большая часть жидкостей, с которыми ученые привыкли иметь дело: водные растворы, вода, нефтепродукты, ацетон и так далее.

При ламинарном незапланированном течении элементы между двумя плоскопараллельными пластинкам осуществляют работу с постоянной скоростью v под воздействием силы F, а нижняя линия остается неподвижной. В основном слои жидкости перемещаются с различными скоростями - от максимальной у самой верхней пластинки до абсолютного нуля у нижней.

Течение ньютоновских жидкостей полностью подчиняется уравнению Ньютона-Петрова, то есть касательное и внутреннее напряжение, а также градиент плотности линейно зависимы, а параметр пропорциональности η между указанными величинами выступает в качестве связующего звена.

Неньютоновские жидкости не поддаются принципам и законам обычных жидкостей. Эти вещества меняют собственную плотность и вязкость при влиянии на них физической силой, причем не только механическим действием, но и даже звуковыми нестабильными волнами.

Если воздействовать на неньютоновскую жидкость только механическими усилиями, возможно получить совершенно иной эффект:

• исследуемый объект начинает принимать характеристики твердых тел и вести себя как физическое вещество;
• связь между молекулами жидкости будет автоматически усиливаться с ростом силы влияния на нее;
• вязкость неньютоновских жидкостей возрастет при уменьшении скорости тока самой жидкости.

Пример 1

Например, водный раствор крахмала при разных ситуациях ведет себя по-разному в зависимости от внешнего воздействия.

Классификация неньютоновских жидкостей

Известные классификации неньютоновских жидкостей изначально построены на эмпирических формулах, которые связывают скорость деформации и вязкость. По этим уравнениям исследователи выстраивают кривые течения жидкостей.

Согласно методам Ньютона-Петрова, график зависимости внутреннего напряжения от градиента начальной скорости представляет собой прямую линию, которая выходит из начала координат. Наклон данной прямой прямо пропорционален плотности ньютоновской жидкости. Неньютоновскими, или аномальными, называют такие жидкости, течение которых не может подчиняться закону Ньютона, для них все касательные напряжения обозначаются более сложными зависимостями, чем формулы Ньютона-Петрова.

Замечание 2

Таких, аномальных с точки зрения современной гидравлики, жидкостей крайне немало.

Они широко применяются в химической нефтяной, перерабатывающей и других сферах промышленности.

Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы:

• неньютоновские вязкоупругие жидкости;
• неньютоновские нестабильные жидкости;
• неньютоновские вязкие жидкости.

К первой группе ученые относят только вязкие (или стационарные) жидкости, характеристики которых находятся вне зависимости времени. По виду таких кривых выделяют следующие жидкости этой подгруппы: псевдопластичные, бингамовские и дилатантные.

Ко второй группе жидкостей принято относить неньютоновские жидкие вещества, свойства которых зависят от времени. Эти жидкости на данный момент подразделяют на тиксотропные и реопектические.

К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелловские элементы. Кажущаяся вязкость этих веществ уменьшается под влиянием напряжений, после снятия которых объекты частично восстанавливают начальную форму. К этому типу жидкостей возможно причислить некоторые пасты и смолы тестообразной консистенции

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.

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!

Как сделать в домашних условиях

Рецепт довольно простой и дешевый: сходите в магазин и купите обычный крахмал, подойдет любой — картофельный или кукурузный. Затем смешайте его с водой в соотношении 2:1. Это все, неньютоновская жидкость готова! Теперь можете проводить эксперименты в домашних условиях.

У большинства жидкостей (вода, низкомолекулярные органические соединения, истинные растворы, расплавленные металлы и их соли) коэффициент вязкости зависит только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими и силы внутреннего трения, возникающие в них, подчиняются закону Ньютона (формула 11).

У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (например, растворы полимеров) или представляющих дисперсионные системы (суспензии и эмульсии),  зависит также от режима течения - давления и градиента скорости . При их увеличении вязкость жидкости уменьшается вследствие нарушения внутренней структуры потока жидкости. Их вязкость характеризуют так называемым условным коэффициентом вязкости, который относится к определенным условиям течения жидкости (давление, скорость). Такие жидкости называются структурно вязкими или неньютоновскими.

1.4. Течение вязкой жидкости. Формула Пуазейля.

Занимаясь исследованием кровообращения, французский врач и физик Пуазейль пришел к необходимости количественного описания процессов течения вязкой жидкости вообще. Установленные им для этого случая закономерности имеют важное значение для понимания сущности гемодинамических явлений и их количественного описания.

Пуазейль установил, что вязкость жидкости может быть определена по объему жидкости, протекающей через капиллярную трубку. Этот метод применим только к случаю ламинарного течения жидкости.

Пусть на концах вертикальной капиллярной трубки длиной l и радиусомR создана постоянная разность давленийр. Выделим внутри капилляра столбик жидкости радиусомr и высотойh . На боковую поверхность этого столбика действует сила внутреннего трения:

Рис. 6 Схема для вывода формулы Пуазейля.

F 1 = p 1  r 2 и F 2 = p 2  r 2 .

Сила тяжести равна F тяж = mgh =  r 2 gl .

При установившемся движении жидкости, согласно второму закону Ньютона:

F тр + F давления + F тяж =0,

Учитывая, что (р 1 -р 2 ) = р, dv равно:

Интегрируем:

Постоянную интегрирования находим из условия, что при r = R скоростьv =0 (слои, прилегающие непосредственно к трубе, неподвижны):

Скорость частиц жидкости в зависимости от расстояния от оси равна:

Объем жидкости, протекающий через некоторое сечение трубки в пространстве между цилиндрическими поверхностями радиусами r и r + dr за время t , определяется по формулеdV =2  rdrvt или:

Полный объем жидкости, протекающей через сечение капилляра за время t:

(19)

В случае, когда пренебрегаем силой тяжести жидкости (горизонтальный капилляр), объем жидкости, протекающий через сечение капилляра, выражается формулой Пуазейля:

(20)

Формулу 20 можно преобразовать: разделим обе части этого выражения на время истечения t. Слева получим объемную скорость течения жидкости Q (объем жидкости, протекающий через сечение за единицу времени). Величину8  l / 8  R 4 обозначим через Х.. Тогда формула 20 принимает вид:

(21)

В такой записи формула Пуазейля (ее еще называют уравнением Гагена-Пуазейля) аналогична закону Ома для участка электрической цепи.

Можно провести аналогию между законами гидродинамики и законами протекания электрического тока по электрическим цепям. Объемная скорость течения жидкости Q является гидродинамическим аналогом силы электрического тока I. Гидродинамическим аналогом разности потенциалов 1 -  2 является перепад давленийР 1 - Р 2 . Закон ОмаI =( 1 -  2 )/R имеет своим гидродинамическим аналогом формулу 20. ВеличинаХ представляет собойгидравлическое сопротивление - аналог электрического сопротивления R.