Неньютоновская жидкость. Ньютоновская жидкость и ее антипод - что это? Описание ньютоновской жидкости

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.

Можно , если даже походить по улице или квартире. Какая бы сила ни действовала на воду, масло или молоко, они все равно сохранят свое жидкое состояние, будь то перемешивание, переливание и иное физическое воздействие.

Другое дело - это неньютоновские жидкости. Их особенность заключена в том, что их текучие свойства колеблются в зависимости от скорости ее тока. Неньютоновскую жидкость легко получить, смешав воду с пищевым картофельным/кукурузным крахмалом.

Источники:

• неньютоновская жидкость как сделать

Обычные жидкости растекаются, переливаются, отличаются легкой проницаемостью. Но существуют субстанции, способные занимать вертикальное положение и даже выдерживать вес человека. Именуются они неньютоновскими жидкостями.

Существуют эмульсии, вязкость коих переменчива и зависима от скорости деформации. Суспензий со свойствами, противоречащими законам гидравлики, разработано много. Их использование получило широкое распространение в химической, перерабатывающей, нефтяной и прочих отраслях современной промышленности.

К числу можно отнести сточные грязи, зубную пасту, жидкое мыло, буровые растворы и пр. Обычно эти смеси неоднородны. В их составе содержатся крупные молекулы, способные образовывать сложные пространственные структуры. Исключениями являются , приготовленные на базе картофельного или кукурузного крахмала.

Приготовление неньютоновской жидкости в домашних условиях

Для создания эмульсии потребуется вода . Обычно ингредиенты используются в равных частях, но иногда соотношение составляет 1:3 в пользу воды. После смешивания получается жидкость, напоминающая по консистенции кисель и обладающая интересными характеристиками.

Если в емкость с эмульсией медленно положить предмет, результат будет аналогичным погружению вещи в краску. Хорошо размахнувшись и ударив по смеси кулаком, можно отметить изменения ее свойств. Рука отскочит, как от столкновения с твердым веществом.

Вылитая с большой высоты эмульсия, соприкасаясь с поверхностью, скапливается комьями. В начале струи она будет течь, как обыкновенная жидкость. Другой эксперимент - медленно засунуть руку в состав и резко сжать пальцы. Между ними образуется твердая прослойка.

Можно поместить кисть до запястья в суспензию и попытаться ее резко вытянуть. Существует огромная вероятность, что емкость с эмульсией поднимется вместе с рукой.

Использование характеристик неньютоновской жидкости в создании лизуна

Первая такая была создана в 1976 г. Она обрела огромную популярность благодаря своим необычным свойствам. Лизун был одновременно эластичным, текучим и обладал возможностью беспрестанно трансформироваться. Подобные качества сделали спрос на игрушку колоссальным среди и взрослых.

Зыбучие пески - неньютоновская жидкость пустыни

Они обладают в одночасье свойствами твердых и жидких тел благодаря необычной конфигурации песчинок. Находящийся под зыбучими песками поток воды взбивает рыхлый слой песчинок до того момента, пока масса забредшего на низ путника ни обрушивает структуру.

Песок перераспределяется и начинает засасывать человека. Попытки выбраться самостоятельно приводят к разрежению воздуха, с титанической силой тянущего ноги назад. Усилие, нужное для высвобождения конечностей в этом случае сравнимо с весом машины.

Плотность зыбучих песков больше плотности подземных вод. Но плыть в них нельзя. Из-за повышенной влажности песчинки образуют вязкую субстанцию.

Любая попытка двигаться вызывает мощное противодействие. Песчаная масса, перемещающаяся с низкой скоростью, не успевает заполнить полость, которая образуется за сдвинутым предметом. В ней образуется вакуум. В ответ на резкие движения суспензия твердеет. Передвижение в зыбучих песках является возможным только в том случае, когда оно осуществляется очень плавно и медленно.

Ньютоновской жидкостью является любое текучее вещество, имеющее постоянную вязкость, не зависимую от внешнего напряжения, которое на него воздействует. Одним из примеров является вода. У неньютоновских жидкостей вязкость изменятся и напрямую зависит от скорости движения.

Что такое ньютоновские жидкости?

Примерами ньютоновских жидкостей являются взвеси, суспензии, гели и коллоиды. Основной особенностью таких веществ есть то, что вязкость для них является константой и не меняется относительно скорости деформации.

Скорость деформации - это относительное напряжение, которое появляется у жидкости при ее движении. Большинство жидкостей - ньютоновские и к ним применимы уравнения Бернулли для ламинарных и турбулентных течений.

Скорость деформации

Чувствительные к сдвигу жидкости более текучи. Скорость сдвига или зазор между веществом и стенками сосуда, как правило, не очень влияют на этот параметр и ими можно пренебречь. Значение скорости деформации известно для всех материалов и является табличным значением.

В некоторых случаях оно, однако, может изменяться. Например, если жидкость представляет собой эмульсию, которую наносят на пленку для фотографии, то даже незначительные дефекты могут привести к появлению пятен, и конечный продукт не будет обладать необходимыми качествами.

Различные жидкости и их вязкости

В ньютоновских жидкостях, вязкость не зависит от скорости сдвига. Однако для некоторых из них, вязкость меняется в зависимости от времени. Это проявляется на изменении давления в резервуаре или трубе. Такие жидкости называются дилатантными или тиксотропными.

Для латентных жидкостей напряжение сдвига растет всегда, так как их вязкость и увеличение скорости сдвига взаимосвязаны. Для тиксотропных жидкостей эти параметры могут изменяться хаотически. Скорость деформации не может возрасти быстро с понижением вязкости. Поэтому скорость движения частиц вещества может увеличиться, уменьшиться или остаться прежней. Все зависит от типа жидкости. Однако скорость деформации имеет свойство уменьшаться. Это означает, что

Все знают, что любая жидкость растекается. Но есть субстанции, которые могут занимать вертикальное положение и даже выдержать человеческий вес. Они отличаются неоднородной структурой и называются неньютоновскими жидкостями. Хотите удивить ребенка или гостей интересными опытами? Сделайте самостоятельно неньютоновскую жидкость в домашних условиях.

Делаем неньютоновскую жидкость в домашних условиях – способ первый

Приготовьте холодную воду, глубокую посудину и упаковку крахмала – картофельного или кукурузного. Способ приготовления:

• насыпаете в миску четвертую часть упаковки крахмала;
• медленно наливаете половину стакана воды в миску. Помешайте. Добавьте краситель в воду – получите цветную массу;
• продолжаете насыпать в посудину крахмал и наливать понемногу воду до тех пор, пока не выйдет масса, похожая на кисель;
• размешивайте массу до однородности. Лучше всего мешать руками;
• выливаете полученную жидкость в форму для выпечки или другую посудину. Перемешиваете ее указательным пальцем по кругу – сначала медленно и постепенно ускоряете движения. У вас получилась необычная субстанция.

На размешивание уйдет немало времени, пока жидкость станет плотной. Используйте воду с крахмалом в одинаковых пропорциях, но часто воды требуется больше. Жидкость становится плотной по мере добавления крахмала. В конечном итоге у вас получится белая вязкая масса, которую можно налить на ладонь.

Делаем неньютоновскую жидкость в домашних условиях – способ второй

Приготовьте:

• ¾ ст. воды и половину стакана отдельно;
• 1 ст. клея ПВА;
• 2 ст. ложки буры.

Наливаете в глубокую тарелку 3/4 стакана воды и помещаете туда клей. Хорошо перемешайте. В другой миске соедините половину стакана воды с бурой. Размешайте до полного растворения буры. Соединяете два раствора в одной посудине и хорошо перемешиваете. По желанию в процессе приготовления положите краситель. Помещаете неньютоновскую жидкость в пакет, завяжите его и разомните массу. Храните субстанцию в холодильнике и демонстрируйте по необходимости ее свойства.

Делаем съедобную неньютоновскую жидкость в домашних условиях

Порадуйте детей съедобной неньютоновской жидкостью. Налейте в кастрюлю банку сгущенки. Помещаете на небольшой огонь плиты и добавьте столовую ложку крахмала. Потихоньку помешивайте и варите жидкость до тех пор, когда она загустеет. Выключите плиту и добавляете в загустевшую массу пищевой краситель, размешиваете. Поставьте кастрюлю на подоконник остывать. Дети могут поиграть сладкой массой или скушать ее. Но попросите их быть аккуратными, жидкость оставляет на одежде пятна.

Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях – интересные опыты

• наберите полную руку жидкости и сделайте из нее шарик. Помните и сдавите в руке. Если будете скатывать шарик быстро – масса твердеет. Если скатывать медленно – жидкость растечется по руке.
• поместите кисть руки в жидкость и попробуйте резко вытянуть руку. Ваши руки будут, как бы зацементированы в массе, и поднимут миску с жидкостью в воздух;
• медленно опустите руку в жидкость и резко сожмите там пальцы. Увидите, что между пальцами появилась твердая прослойка;
• хлопните сильно по тарелке с жидкостью ладонью. Ваши зрители разбегутся в стороны, чтобы не испачкаться. Но необычная жидкость останется в миске;
• перелейте субстанцию из одной посудины в другую. Вы увидите, что жидкость сверху льется, а внизу застывает.

Неньютоновская жидкость, изготовленная в домашних условиях, нигде не применяется. Она предназначена для развлечения. Попробуйте придумать с ней что-то новое, творите и изобретайте. Детям очень нравятся подобные эксперименты!

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.

Если стало скучно, и хочется чего-то нового и необычного - предлагаем Вам очень необычный способ развлечься - приготовить Неньютоновскую жидкость. Это вещество ведет себя очень хаотично, твердеет, стает жидким, поэтому, такое занятие может очень даже заинтересовать. Особенно интересно будет детям школьного возраста, такое занятие для них будет новым, привлекательным и приятным.

Как сделать Неньютоновскую жидкость своими руками?

Для изготовления нашей жидкости потребуется всего лишь вода и крахмал. Смешайте воду и крахмал в равном соотношении, и начните размешивать.

У нас получилась белая, жидкая масса, можем налить её на ладонь.

Она не поддается законам физики, то застывает, то растекается, в этом и заключается смысл Неньютоновской жидкостью.

Что делать с Неньютоновской жидкостью?

Такая жидкость не применяется почти нигде, служит для того - чтобы просто развлекать людей. С ней можно проводить интересные эксперименты, например:

Чем быстрее будете работать с массой, тем тверже она будет. Например, можно сказать её в трубочку или шарик. Она станет твердой.

Медленно опустим большой и указательный палец в жидкость, и резко сжимаем пальцы и поднимаем их немного доверху, таким образом, мы можем увидеть твердый комочек.

Если будете переливать эту жидкость из чашки в чашку, можно заметить, что сверху жидкость льется, а снизу уже застывает (чашки требуется держать подальше друг от друга).