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 давленийр. Выделим внутри капилляра столбик жидкости радиусомr и высотойh . На боковую поверхность этого столбика действует сила внутреннего трения:
Рис. 6 Схема для вывода формулы Пуазейля.
Еслир 1 ир 2 – давления на верхнее и нижнее сечения соответственно, то силы давления на эти сечения будут равны: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.
Здравствуйте!
Позвольте представить юного эксперта Стаса. Он очень любит экспериментировать, познавать все новое в своей домашней лаборатории.
Сегодня специально для читателей Занимательной науки он поведает о свойствах неньютоновских жидкостей . Прошу любить и жаловать. Слово Стасу.
Жидкость в окружающем нас мире встречается повсеместно. Свойства жидкостей знакомы каждому и любой человек, взаимодействующий с ними, в той или иной степени может предугадать, как поведет себя какая-либо жидкость в конкретной ситуации.
Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать в ежедневном использовании, подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими .
Ньютоновская жидкость, вязкая жидкость, жидкость, подчиняющаяся при своём течении закону вязкого трения Ньютона.
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.
не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, но даже и звуковыми волнами. Чем сильнее воздействие на обычную 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. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости тока жидкости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
К изучению этой интересной темы меня подвело посещение научно-популярной выставки «Прикоснись к науке», где один из экспериментов был посвящен неньютоновским жидкостям. Эксперимент произвел на меня большое впечатление и мне захотелось побольше узнать об удивительных свойствах жидкостей, противоречащих законам физики.
В домашних условиях мне удалось не только повторить увиденное, но и подробнее изучить данное явление, проводить много дополнительных экспериментов и придумать свои способы применения данной жидкости.
Один из опытов проведенных мной – опыт с крахмальной водой.
Твёрдая жидкость.
Я взял равные части крахмала и воды, перемешал до однородного вязкого состояния. После этого получил смесь, похожую на сметану.
Но отличие этой смеси от обычной жидкости в том, что она, может быть одновременно и твердой и жидкой. При плавном воздействии – смесь жидкая, а если взять ее в руку и с силой сдавить – из нее можно слепить комок, «снежок», который тут же «растает».
Вывод: Если на эту жидкость с силой воздействовать,то она приобретает свойства твердого вещества.
По этой жидкости можно даже бегать, но если замедлить действие, то человек сразу же погружается в жидкость.
Свойства этой жидкости в скором времени планируют использовать для временного ремонта дорожных ям.
Что же происходит с неньютоновскими жидкостями? 
Частицы крахмала набухают в воде и формируются контакты в виде хаотически сплетенных 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 расходятся.
Юные ученые, дорогие родители, уважаемые бабушки и дедушки. Сегодня Стас показал и рассказал вам о необычной жидкости, которая имеет поразительные свойства и может называться “твердая жидкость”. Вам понравилось? Тогда переходите в раздел “Эксперименты ”. Там вы найдете опыты, фокусы и эксперименты по душе. Те, которые можно сделать дома и удивить всех. А для вас и ваших деток у нас открыт новый раздел “ПочеМук ”. В нём мы отвечаем на самые интересные коварные и каверзные научные вопросы — пишите нам.
Очень жду комментарии и фото экспериментов!
Ваш Стас
Забегайте в мою ЛабораториЮ !
Здравствуйте, друзья! Приветствуем вас в нашей домашней лаборатории!
И чего уже только не делали юные экспериментаторы Артём и Александра. И готовили, и окрашивали, и 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.
Ход эксперимента
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.
Однако, далеко не все подчиняются этому закону. И такие «непокорные» жидкости называют неньютоновскими. И именно такую жидкость, очень похожую на слизь, сделали ребята.
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)
На сегодня все, друзья. Попробуйте провести этот опыт самостоятельно, это очень интересно)
Еще больше опытов с водой найдете . 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 неньютоновские жидкости? Примеры наверняка можно обнаружить даже у вас в холодильнике, однако наиболее очевидным образцом научного чуда считается - текучий и твердый одновременно благодаря взвешенным (суспендированным) частицам.
О вязкости
Сэр утверждал, что вязкость, или резистентность жидкости к течению, зависит от температуры. Так, к примеру, вода может превратиться в лед и обратно именно под воздействием нагревающих или охлаждающих элементов. Однако некоторые субстанции, существующие в мире, меняют вязкость вследствие применения силы, а не изменения температуры. Интересно, что к неньютоновским жидкостям причисляют повсеместно применяемый томатный соус, который становится жиже при условии длительного размешивания. Сливки же, наоборот, загустевают при взбивании. Этим веществам не важна температура - вязкость неньютоновских жидкостей меняется ввиду физического воздействия.
Эксперимент
Для тех, кто интересуется вопросами прикладной науки или просто желает поразить своих гостей и друзей невероятно простым и в то же время потрясающе увлекательным научным экспериментом, создан специальный рецепт коллоидного крахмального раствора. Настоящая неньютоновская жидкость, своими руками сделанная буквально из двух обыкновенных кулинарных ингредиентов, поразит своей консистенцией и школьников, и студентов. Вам понадобится только крахмал и чистая вода, а в итоге получится уникальное вещество, являющееся одновременно и жидкостью, и твердым телом.
Рецепт
- Высыпьте приблизительно четверть упаковки кукурузного крахмала в чистую миску и медленно влейте примерно полстакана воды. Помешайте. Иногда удобнее готовить коллоидный крахмальный раствор прямо руками.
- Продолжайте добавлять крахмал и воду небольшими порциями до тех пор, пока у вас не получится субстанция, по консистенции напоминающая мед. Это будущая неньютоновская жидкость. Как сделать ее однородной, если все попытки равномерного размешивания оканчиваются провалом? Не беспокойтесь; просто уделите процессу побольше времени. В итоге на одну упаковку кукурузного крахмала у вас, скорее всего, уйдет от одного до двух стаканов воды. Обратите внимание: вещество приобретает большую плотность по мере того, как вы добавляете в него все больше порошка.
- Вылейте полученную субстанцию в сковородку или форму для выпечки. Присмотритесь к ее необычной консистенции, пока "твердая" жидкость льется вниз. Перемешайте вещество по кругу указательным пальцем - сначала медленно, затем все быстрее и быстрее, пока у вас не получится удивительная неньютоновская жидкость.
Опыты
Как в целях научного познания, так и просто ради развлечения, можно попробовать провести следующие опыты:
- Проведите пальцем по поверхности получившегося сгустка. Заметили ли вы что-нибудь?
- Погрузите всю кисть руки в загадочное вещество и попытайтесь сжать его пальцами и вытащить наружу из контейнера.
- Попробуйте покатать субстанцию в ладонях, чтобы слепить шарик.
- Можно даже со всей силы хлопнуть по сгустку ладонью. Присутствующие зрители наверняка разбегутся в стороны, ожидая, что их сейчас обрызгает крахмальным раствором, однако необычное вещество останется в контейнере. (Если, разумеется, вы не пожалели крахмала.)
- Зрелищный эксперимент предлагают видеоблогеры. Для него вам понадобится музыкальная колонка, которую следует аккуратно обтянуть плотной пищевой пленкой в несколько слоев. Вылейте раствор на пленку и включите музыку на большой громкости. Вы сможете наблюдать потрясающие визуальные эффекты, возможные только при применении этого уникального состава.
Если вы проводите эксперимент в лаборатории перед школьниками или студентами, спросите их, почему неньютоновская жидкость ведет себя именно таким образом. По какой причине она кажется твердым телом, если сжать ее в руке, но при этом течет, как сироп, если разжать пальцы? По окончании дискуссии можно упаковать сгусток в большой пластиковый пакет с застежкой-молнией, чтобы сохранить его до следующего раза. Он пригодится вам для демонстрации свойств суспензии.
Тайна вещества
Почему в одних случаях коллоидный крахмальный раствор ведет себя как твердое тело, а в других - как жидкость? На самом деле вами была создана настоящая неньютоновская жидкость - вещество, отвергающее закон вязкости.
Ньютон считал, что вязкость вещества меняется только вследствие повышения или понижения температуры. К примеру, моторное масло легко течет при нагреве и приобретает особую густоту при охлаждении. Строго говоря, неньютоновские жидкости тоже подчиняются этому физическому закону, но при этом их вязкость можно изменить и путем применения силы или давления. Когда вы сжимаете коллоидный сгусток в руке, его плотность существенно увеличивается, и (пусть даже временно) он как будто превращается в твердое тело. Когда вы разжимаете кулак, коллоидный раствор течет как обычная жидкость.
Что нужно иметь в виду
Ирония заключается в том, что невозможно смешать крахмал с водой навсегда, так как в результате эксперимента у вас получается не однородное вещество, а суспензия. Со временем частички порошка отслоятся от молекул воды и соберутся в твердый комочек на дне вашего пластикового пакета. Именно по этой причине подобная неньютоновская жидкость мгновенно засоряет канализационные трубы, если просто взять и вылить ее в раковину. Ни в коем случае не выливайте ее в водосток - лучше упакуйте в пакет и просто выбросьте в мусоропровод.
Кажется, что современных детей уже ничем не удивить. Новомодные гаджеты, игрушки с множеством функций отличаются от тех, что были у их родителей в детстве, как современный катер от деревянной лодки.
Но в последнее время родители все больше обращают внимания на то, что дает в плане развития та или иная игра. Некоторые из них позволяют познавать мир, развивая детей умственно и физически.
А если вдобавок такую игру можно сделать самостоятельно при участии ребенка, то это огромный плюс. На просторах интернета можно найти множество таких игрушек. Одной из самых простых и интересных является так называемая неньютоновская жидкость. Так как сделать в домашних условиях и что для этого нужно?
Что такое неньютоновская жидкость
Прежде, чем перейти к ответу на вопрос: «Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях своими руками?» - не лишним будет понять, что это такое и как оно действует.
Неньютоновская жидкость - это своего рода субстанция, которая при разной скорости механического воздействия на нее ведет себя по-разному. Если скорость внешнего воздействия на нее мала, то она проявляет признаки обычной жидкости. А если на нее воздействовать с более высокой скоростью, то она схожа по признакам с твердым телом.
К плюсам такой занимательной игры можно отнести:
- Возможность и простота самостоятельного изготовления.
- Небольшая стоимость и доступность ингредиентов.
- Познавательные возможности для детей.
- Экологичность (в отличие от некоторых пластиковых игр, не содержит вредных веществ, а состав вам заранее известен).
Развлечение и обучение
Что может быть лучше, чем совместное занятие с ребенком чем-то интересным и необычным? Тем более что это занятие будет действительно полезным не только детям, но и взрослым. Простота того, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях, позволяет создать интересное развлечение всего за пару минут. В результате получится игра, которая увлечет всю семью. Кроме того, она развивает моторику рук у детей.
Если по неньютоновской жидкости быстро ударить, то она поведет себя, как твердое тело, и вы почувствуете его упругость. Если медленно опустить в нее руку, то она не встретит никакого препятствия, и будет ощущение, что это вода.
Другая положительная сторона - это развитие воображения. При различных типах воздействия на жидкость она ведет себя весьма интересно. Если емкость с ней поставить на вибрирующую поверхность или просто быстро потрясти, то она начинает принимать очень необычные формы.
Не стоит забывать и об образовательной пользе. Такая жидкость позволяет на практике изучать простейшие основы физики - свойства твердого и жидкого тела.
Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях: два способа
Состав смеси напрямую влияет на ее свойства. Таким образом, следует знать, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях. Рецепт приготовления весьма прост. В нем всего два основных ингредиента - вода и крахмал. Последний ингредиент может быть как кукурузным, так и картофельным. Вода должна быть холодной. Все тщательно смешивается. Все готово!
Для более жидкого состояния смеси берется пропорция воды и крахмала 1:1. Для более твердого - 1:2. При желании в нее можно добавить пищевые красители, тогда смесь будет яркой.
А как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях без крахмала? Этот рецепт немного сложнее, но так же эффективен, как и предыдущий. Сначала смешивается вода и обычный клей ПВА в пропорциях 0,75:1. Отдельно соединяется вода с небольшим количеством буры. После этого оба состава смешиваются и тщательно перемешиваются.
Оба способа позволяют получить неньютоновскую жидкость, но первый намного проще и пользуется наибольшей популярностью.
Больше воды и крахмала…
Зная, как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях, можно, увеличив пропорции, изготовить достаточное количество такой смеси и залить ею, к примеру, небольшой детский бассейн. Глубины в 15-25 сантиметров будет достаточно. Тогда по поверхности этой жидкости можно прыгать, бегать, танцевать, не проваливаясь. Но если остановиться, то сразу погружаешься в нее. Это отличное развлечение для взрослых и детей.
В Малайзии неньютоновской жидкостью залили целый бассейн. Это место сразу стало очень популярным. Там с удовольствием весело проводят время люди всех возрастов.
