Исследование реологических свойств дилатантной неньютоновской жидкости

Региональная отраслевая

техническая олимпиада для учащихся профильных классов

Научно-практическая конференция

Исследование реологических свойств дилатантной неньютоновской жидкости

Автор:  Земнухова Татьяна Алексеевна,

НОУ «Школа-интернат №22 ОАО «РЖД», ст. Улан-Удэ

11 класс

Руководитель:

Максимова Александра Андреевна,

учитель физики

Секция: «Физика»

2016

Улан-Удэ

Содержание

Введение

Одной из моих любимых передач является «Галилео». Именно в ней я увидела, как ведущий проводит эксперимент «Отличие ньютоновской от неньютоновской жидкостей». Я конечно же повторила эксперимент. У меня всё получилось! Но возникли вопросы: если это неньютоновская жидкость, то какая же – ньютоновская?, почему неньютоновская жидкость обладает такими свойствами?, где можно использовать свойства жидкости?

В гидромеханике простую ньютоновскую жидкость принято рассматривать как нормальную, а жидкости с отклоняющимися от обычных характеристиками течения – как аномальные [1]. Однако эти так называемые аномальные, или неньютоновские, жидкости часто встречаются в природе, широко применяются в технике и быту, в качестве смазочного материала и в нефтяной промышленности, медицине и косметологии.

Исследование физических свойств жидкостей относится к числу сложных и актуальных проблем физики. Вместе с тем использование жидкостей в качестве горючего, окислителей, смазочных масел, хладагентов и теплоносителей, продуктов химической технологии требует знания их вязкостных, тепло- и электропроводящих, а также упругих свойств в широком интервале изменения плотности, температуры и частоты.

Вязкоупругие параметры сред являются их важнейшими характеристиками. Реологические измерения являются мощным косвенным методом исследования физических свойств веществ и их состояния.

Первые работы о свойствах неньютоновских жидкостей появились в 50-х годах прошлого века и были связаны с развитием биомеханики, бионики, биогидродинамики, пищевой промышленности. Широкое использование полимерных и нанопорошковых присадок в целом ряде прикладных задач гидродинамики в настоящее время вновь вызвало интерес к неньютоновским жидкостям. Специалисты классической гидромеханики заинтересовались ими  главным образом в связи с проблемой уменьшения сопротивления.

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.[2].

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.

Цель работы: Исследовать реологические свойства неньютоновских жидкостей.

Задачи:

• Найти в источниках информации определения и описания неньютоновских жидкостей.
• Провести анкетирование старших школьников и взрослых на предмет информированности о неньютоновских жидкостях.
• Описать свойства неньютоновских жидкостей и их отличия от ньютоновских жидкостей.
• Выяснить классификацию неньютоновских жидкостей.
• Изучить способы получения неньютоновской жидкости в домашних условиях.
• Исследовать некоторые свойства неньютоновской жидкости в условиях школьной лаборатории.
• Рассказать сверстникам о неньютоновской жидкости и её свойствах.

-  о необычных свойствах жидкостей.

Объект исследования – неньютоновская жидкость.

Предмет исследования – реологические свойства неньютоновской жидкости.

Методы исследования:

• Теоретические исследования с помощью соответствующей литературы и ресурсов Интернет.
• Сравнительный анализ механических свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей.
• Экспериментальные исследования свойств неньютоновских жидкостей: водного раствора крахмала.
• Визуальные наблюдения с фиксированием данных.
• Анкетирование.

Научная новизна.

Глава 1. Что такое неньютоновские жидкости?

1.1. Отличие неньютоновские жидкости от ньютоновской жидкости.

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.

Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости.

Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, но и даже 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.

1.2. Классификация неньютоновских жидкостей.

Объектом наших исследований будет служить дилатантный вид неньютоновских жидкостей – суспензия^[1] крахмала.

1.2. Реологические свойства неньютоновской жидкости.

Реологические свойства оказывают влияние на всех этапах использования материалов во множестве отраслей промышленности – от разработки и стабильности до переработки и характеристик конечных продуктов. Примерами реологических измерений являются:

• Определение профиля вязкости неньютоновских жидкостей с зависимостью от сдвига для моделирования условий технологических процессов или использования.
• Определение вязкоупругости для классификации материала по степени твердо- или жидкоподобного поведения.
• Оптимизация стабильности дисперсных систем.
• Определение тиксотропии красок и покрытий для обеспечения качества нанесения и окончательного покрытия.
• Влияние молекулярной структуры полимеров на вязкоупругость в приложениях переработки и конечного использования.
• Сравнительный анализ продуктов питания и личной гигиены по пригодности к перекачиванию или растеканию.
• Полная характеристика отверждаемости связующих и гелеобразующих систем.
• Скриннинг кандидатов для лекарственных средств, в частности биофармацевтических препаратов.

К основным реологических свойствам неньютоновских жидкостей относятся :

1. вязкость
2. вязкоупругость

Вязкоупругость – это свойство материалов быть и вязким и упругим при деформации. Вязкие материалы, такие как мед, при сопротивлении сдвигаются и натягиваются линейно во время напряжения. Упругие материалы тянутся во время растягивания и быстро возвращаются в обратное состояние, когда уходит напряжение. У вязкоупругих материалов свойства обоих элементов, и по существу, проявляют напряжение в зависимости от времени. В то время как упругость обычно является результатом растягивания вдоль кристаллографический плоскости в определенном твердом теле, вязкость является результатом диффузии атомов или молекул в аморфных материалах.^[2] 

Существуют некоторые проявления вязкоупругих материалов:

• если держится постоянное напряжение, нагрузка растет со временем (ползучесть)
• если держится постоянная нагрузка, напряжение уменьшается со временем (расслабление)
• фактическая неподвижность зависит от уровня нагрузки
• если применена циклическая нагрузка, то получается гистерезис (отставание фаз), который приводит к рассеиванию механической энергии
• акустические волны подвергаются ослаблению
• восстановление объекта после воздействия меньше, чем 100%
• во время верчения происходит сопротивление трения

[3]

1.3. Уравнение Максвелла для неньютоновской жидкости.

1.3. Методы получения неньютоновской жидкости

1.5. Методы получения неньютоновской жидкости

1.6. Применение неньютоновской жидкости

В мире очень популярны данные жидкости. В США на основе данных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных (Рис.5). Данные бронежилеты по своим характеристикам лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Материал, из которого изготавливаются бронежилеты, называется d3o (Рис.6).

Материал d3o, разработанный одноименной американской компанией, относится к дилатантным неньютоновским жидкостям. Фактически d3o ведет себя как хорошо охлажденная карамель, только еще более чувствителен к нагрузкам.

Если нажимать на d3o мягко, то есть с небольшим возрастанием силы нажатия– он эластичен, словно латекс, из него можно скатывать шарики и колбаски, как из пластилина. Однако при резком повышении градиента скорости деформации компенсировать трение между частицами и, соответственно, обеспечить дрейф их друг относительно друга не получается, в результате чего в d3o образуется мгновенная жесткая структура, обусловленная уже обычным, сухим трением между частицами – именно она и обеспечивает скачкообразное изменение вязкости, кажущееся затвердевание материала. Как только такая резкая нагрузка будет снята, d3o расслабится и будет опять мягким и эластичным [11].

Так же неньютоновские жидкости используются в автомобильной промышленности.  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.

Магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости, еще один представитель данного чуда природы. Состоят они из мелкодисперсных кристаллов магнетита, взвешенных в синтетическом масле, при воздействии на такую жидкость магнитным полем, жидкость увеличивает плотность в 100 раз, но все равно остается гибкой. Данные жидкости применяют в новейших технологиях для амортизации некоторых элементов транспортного оборудования или механических машин.

Реологические исследования позволяют решать прикладные гидродинамические  задачи - транспорт неньютоновских жидкостей по трубопроводам, течение полимеров, пищевых продуктов, строительных материалов в перерабатывающем оборудовании, движение буровых растворов в пластах и т.д. [1].

Практический интерес представляет также использование специфических  реологических эффектов. Так, малые полимерные добавки к воде и нефтепродуктам придают жидкости новые реологические  свойства, благодаря чему резко снижается гидравлическое сопротивление при турбулентном течении (эффект Томса). Этот эффект используют при перекачке нефти по длинным трубопроводам.

В автомобильной промышленности:

Так же неньютоновские жидкости используются в автомобильной промышленности. 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.

Магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости, еще один представитель данного чуда природы. Состоят они из мелкодисперсных кристаллов магнетита, взвешенных в синтетическом масле, при воздействии на такую жидкость магнитным полем, жидкость увеличивает плотность в 100 раз, но все равно остается гибкой. Данные жидкости применяют в новейших технологиях для амортизации некоторых элементов транспортного оборудования или механических машин. Реологические исследования позволяют решать прикладные гидродинамические задачи - транспорт неньютоновских жидкостей по трубопроводам, течение полимеров, пищевых продуктов, строительных материалов в перерабатывающем оборудовании, движение буровых растворов в пластах и т.д. Перспективно применение высокодисперсных адсорбентов, например диатомитов, с адсорбированными на их поверхности веществами, способными образовывать с адсорбентами водородные связи (спирты, высшие жирные кислоты, амины). Суспензии применяют в качестве рабочей жидкости гидравлических систем, в виде тонких пленок в тормозных и др. устройствах, в т.ч. в коробках передач, генераторах крутильных колебаний и т. п.

В нефтепромышленности:

Практический интерес представляет также использование специфических реологических эффектов. Так, малые полимерные добавки к воде и нефтепродуктам придают жидкости новые реологические свойства, благодаря чему резко снижается гидравлическое сопротивление при турбулентном течении (эффект Томса).

Неньютоновы жидкости обладают рядом особенностей. Например, они имеют память. Дело в том, что время, характерное для процесса перестройки длинных молекул, может превышать время наблюдения за течением жидкости. Течение не успевает перестроиться, имеет место эффект запаздывания, а значит, эффект памяти. Удивительные свойства неньютоновых жидкостей. Двигаясь в трубе, жидкость испытывает силу трения о ее поверхность, в результате чего кинетическая энергия переходит в тепловую. Поэтому снижение силы трения является важной технической проблемой. Как оказалось, добавление в жидкость малого количества полимера значительно снижает силу трения. Этот эффект используют при перекачке нефти по длинным трубопроводам.

В мореплавании и пожаротушении

Всего лишь 20 миллионных долей полиокса (длинноцепочного полимера) могут снизить силу трения турбулентного потока в трубе на 50 %! В 50-е годы американские пожарные начали добавлять полимерные добавки в жидкость, вытекающую из брандспойта, при этом длина струи увеличивалась в полтора раза. Полимерные добавки в смазывающих материалах повышают ресурсы станков и приборов. Можно увеличивать скорость судна путем впрыскивания вблизи его носовой части малых количеств полимерного раствора. Имеется гипотеза, что дельфины и другие обитатели морей и океанов тоже «используют» эффект Томса для уменьшения гидродинамического сопротивления.

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.

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 11

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.

Исследование способов получение неньютоновской жидкости и ее свойств.

2.1. Исследование реологических свойств.

•        Определение плотности несколькими способами.

1.        Опыт №7. Расчет по формуле которую знаю из курса физики.

   V измерила мерным стаканчиком =25мл. (25*10"-6" м³)

              m измерила при помощи электронных весов. Масса смеси, без учёта массы стакана = 36 гр. (36*10"-3" кг)

Подставила значение и получила, что р= 1440 кг/м³

  (см приложение 4)

2. Опыт №8. С помощью ареометра. (см. приложение 5)

Ареометром называется физический прибор, с помощью которого можно определить плотности жидкостей.

Он представляет собой стеклянный поплавок, в верхней части которого закреплена школа с делениями. Опустив ареометр в жидкость можно заметить поднятие уровня жидкости. По линии соприкосновения жидкости определяем её плотность.

Показания ареометра 1400 кг/м³

3. Опыт №9. Используя формулу Архимедовой силы.

FА=g*ρж*Vт.

              V тела =89-70=19 мл (19*10"-6" м3);

              FА= 0,5Н-0,25Н= 0,25Н

Подставив значение и выразим из основной формулы плотность, я получила, что р= 1320 кг/м³ (см приложение 6)

Результаты опытов №7 и №8 дали приблизительно одинаковые значения, а в  опыте №9 результат отличается , так как большая погрешность измерений.

2.2. Эффект Кайе

В 1963 году английский инженер  Алан Кайе (Alan Kaye) проводил опыты на основе неньютоновских жидкостей и наблюдал интересные явления. Ученый заметил, что если жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкость или в жидкость с одинаковой плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется в жидкости, а как бы отскакивает от самой себя. Это явление назвали "эффект Кайе" (или «эффект Кея») [2].

Реактивы: шампунь во флаконе.

Посуда: глубокая широкая чашка, металлическая пластина.

Ход работы:

1. Установили чашку на ровную поверхность и налили в неё шампунь слоем в 3 см.

2. Из флакона выливали в чашку шампунь тонкой струйкой с высоты 20-25 см от поверхности чашки.

По мере  того как жидкость падала с высоты 20 см вниз в себе подобную жидкость, мы наблюдали,  что струйка жидкости, падающая вниз, начинала отскакивать от поверхности жидкости находящейся внизу. В месте падения струйки образуется небольшой бугорок. После отскакивания струйки бугорок исчезает. Эффект имел очень короткую продолжительность.

Известно, что это явление обусловлено вязкостью жидкости, однако точно причины его возникновения пока не ясны. Найдено  несколько  объяснений этому эффекту.

1) Скачок жидкости может быть вызван резким изменением вязкости струйки в тот момент, когда она ударяется о поверхность жидкости. Жидкости, в которых наблюдается эффект Кея, являются тиксотропными, то есть их вязкость уменьшается под действием деформации сдвига. В падающей струйке вязкость жидкости достаточно высока. Когда же жидкость ударяется о бугорок на поверхности, резкое изменение скорости приводит к возникновению больших деформаций сдвига, и вязкость жидкости уменьшается. Так как жидкость, кроме того, упруга, струйка отскакивает от бугорка [2].

2) Проникая внутрь жидкости, находящейся в чашке, струйка несет в себе запас кинетической энергии, а поскольку жидкость имеет высокую плотность и вязкость, и по закону сохранения энергии, кинетическая энергия, внесенная в уравновешенную систему, должна, куда-то перейти, и выстреливает такой же струйкой из жидкости.

3) Струя жидкости, падающая вниз,  не может пробить поверхностное натяжение верхнего слоя и отскакивает в сторону.

Если поставить под струйку металлическую пластину под углом примерно 450 и смочить ее тем же шампунем, то струйка, падающая вниз, будет по наклонной траектории падать, отскакивая пару раз от пластины.

 2.3. Наблюдение эффекта Вейссенберга

Если в воду, находящуюся в неподвижном стакане, вдоль его оси опустить вращающийся стержень, то поверхность воды у стенок стакана искривляется вверх под действием центробежной силы. Однако неньютоновские жидкости ведут себя иначе. Реактивы: яичный белок. Посуда: стакан 14

Оборудование: дрель ручная, металлический стержень. Ход работы: 1)В стакан отделили яичный белок. 2) Погрузили в белок вращающийся стержень, закреплённый в ручной дрели, белок повёл себя странным образом: вместо того чтобы подниматься по стенкам (как в воде), он пополз вверх по стержню. Это явление называется эффектом Вессенберга. Объяснение. Когда вязкая упругая жидкость вращается, сдвиг одного слоя относительно другого создает напряжения вдоль внешней границы жидкости, которые стремятся собрать жидкость к центру вращения. Эти напряжения не возникают в нормальных («ньютоновских») жидкостях. В нашем опыте под действием этих напряжений жидкость собирается на оси вращения и поднимается вверх по стержню.

2.4. Зависимость сохранения свойств неньютоновской жидкости от различных факторов

У неньютоновской жидкости есть существенный недостаток: жидкость утрачивает свои свойства, когда из нее испаряется вода. Мною было проведено исследование, в результате которого я выяснил, что свойства сохраняются 2-5 дней в зависимости от температуры окружающей среды.

t окружающей среды

Количество дней, в течение которых свойства сохраняются

20°С        15 дней

22°С        11 дней

25°С        5 дней

Заключение

Список использованной литературы

1. Уилкинсон У.Л. Неньютоноские жидкости. Гидродинамика, перемешивание и теплообмен. Перевод с агл. канд. техн. наук З.П. Шульман. М.: Мир, 1964. С. 9
2. Детская энциклопедия для среднего и старшего возраста, т.3 Вещество и энергия, – 3-е изд., М.: Педагогика, 1973. – 544с.
3. Лекция № 10 Вязкость жидкостей и газов. Вязкость. Природа внутреннего трения. URL: http://www.dvfu.ru/ifit/~thnucl/Gen_phys/lecture10.pdf (дата обращения: 15.11.2014).

Приложение

Введение