ПРИМЕНЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ В БЫТУ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ПРИМЕНЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ В БЫТУ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Тульский государственный машиностроительный колледж им. Н. Демидова

Чумаков Матвей, 2-й курс

Профессия: 15.01.05 Сварщик

(ручной и частично механизированной сварки (наплавки))

Руководитель: Воробьева Н.В.

Свойства жидкости знакомы каждому человеку. Каждый из нас может предположить, как поведёт себя жидкость в конкретной ситуации. Жидкости, свойства которых мы привыкли наблюдать ежедневно подчиняются законам Ньютона, называются ньютоновскими. Но есть жидкости с особыми свойствами, их называют неньютоновскими.

Неньютоновские жидкости встречаются и применяются во многих сферах жизнедеятельности человека: при разработке технологий, в различных производственных процессах, при проектных работах и конструкторских расчётах, относящихся к самым различным материалам: (резине, нефтепродуктам, глинам, силикатам и др.). Неньютоновские жидкости мы встречаем среди пищевых продуктов, бытовых и косметических средств, в медицине и во многих других сферах жизни. При малых нагрузках они мягкие, текучие и эластичные, а при больших – становятся твердыми и очень упругими.  Мы пользуемся ими каждый день и поэтому должны знать их свойства, чтобы научиться извлекать из них максимальную пользу.

Неньютоновская жидкость – жидкость, при течении которой ее вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. 

Разницу обычной и неньютоновской жидкости можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1. Разница обычной и неньютоновской жидкости

Для того, чтобы изучить уникальные свойства неньютоновской жидкости, нам необходимо её изготовить. Для изготовления неньютоновской жидкости понадобится: кукурузный крахмал (50 гр.), вода (50-70 мл), пищевой краситель, деревянная палочка, глубокий пластиковый контейнер.

Ход работы: высыпать кукурузный крахмал (примерно 50 гр.) в контейнер, добавить немного пищевого красителя для большего эффекта и, перемешивая деревянной палочкой, долить небольшими порциями воду до образования однородной массы, которая похожа на тягучее тесто. Количество крахмала и воды приблизительно 1 к 1.

Интенсивно размешивать густой раствор крахмала тяжело. Снизьте скорость, уменьшите усилия — ложка будет легко передвигаться.

Если наполнить крахмальным желе бассейн — по нему можно пробежать, как по земле. Стоит остановиться, и вы провалитесь. 

К неньютоновской жидкости относятся всем известные болотная трясина и зыбучие пески, которые опасны тем, что они могут засасывать в себя все, что в них попадает. Встань на такой песок - и начнешь тонуть в нем, но если же быстро ударить по зыбучему песку, то он сразу же затвердеет.

Многие солевые растворы и расплавленные полимеры являются неньютоновскими жидкостями, как и многие обычно встречающиеся вещества, такие как заварной крем, мед, зубная паста, суспензии крахмала, кукурузный крахмал, краски, кровь, топленое масло и шампунь.

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.

Неньютоновские жидкости применяются во многих областях нашей жизнедеятельности и очень упрощают жизнь современного человека. Рассмотрим наиболее известные области применения данных жидкостей.

1. Автомобильная промышленность. 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 применяют в новейших технологиях для амортизации некоторых элементов транспортного оборудования или механических машин.

2. Нефтепромышленность. Двигаясь в трубе, жидкость испытывает силу трения о ее поверхность, в результате чего кинетическая энергия переходит в тепловую. Снижение силы трения является важной технической проблемой, которую удается решить с помощью добавления в нефть малого количества полимера (неньютоновской жидкости), что значительно снижает силу трения. Этот эффект используют при перекачке нефти по длинным трубопроводам (эффект Томса). 

3. Пожаротушение и мореплавание. Этот же самый эффект помогает в пожаротушении, а также в мореплавании. 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. Так, например, можно увеличивать скорость судна путем впрыскивания вблизи его носовой части малых количеств полимерного раствора.

4. Косметология. Кремы, мази, лосьоны, гели, шампуни и т.д. – это тоже примеры неньютоновских жидкостей. Ими мы пользуемся ежедневно. Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой.  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.

5. Кулинария. Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной в кулинарии используют вязкие продукты питания.  Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте.

6. Медицина. В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. Кровь – это тоже неньютоновская жидкость. Неньютоновские жидкости применяются в различных медицинских устройствах и инструментах, инъекциях, аппаратах искусственного кровообращения и протезах.

7. Очень интересное и актуальное применение неньютоновским жидкостям нашли в сфере обороны.  На основе данных жидкостей в мире начали выпуск бронежилетов для военных. Данные бронежилеты по своим характеристикам лучше обычных, так как легче по весу и проще в изготовлении. Материал, из которого изготавливаются бронежилеты, называется D3O. Если нажимать на D3O мягко – он эластичен, из него можно скатывать шарики, как из пластилина. Однако при резком ударе в D3O образуется мгновенная жесткая структура. Как только такая резкая нагрузка будет снята, D3O расслабится и будет опять мягким и эластичным. 

9. Из данного материала, например, можно было бы изготавливать емкости для хранения и транспортировки легко бьющихся хрупких предметов (стекло, посуда, футляры для очков, телефонов и др.). Так, например, если взять обычный полиэтиленовый мешок, заполнить его водой, положить туда сырое куриное яйцо и сбросить с высоты человеческого роста – яйцо, естественно, разобьется. Но если заполнить мешок неньютоновской жидкостью и бросить его с той же высоты, то яйцо останется целым.

10. Такими же мешками с неньютоновской смесью можно временно закрывать ямы в дорожном покрытии. Ведь, когда на неньютоновскую жидкость не действуют внешние силы, она течёт, как жидкость, принимая форму ямы, но как только на нее будет наезжать колесо автомобиля, то жидкость будет моментально твердеть, точно асфальт. Это очень удобно, а главное не очень дорого. Также неньютоновскую жидкость можно использовать для изготовления автомобильных бамперов и защитных дорожных ограждений.

11.  Из данной жидкости можно изготавливать защитные средства для спортсменов (наколенники, налокотники, шлемы, и др.), бронежилеты и иную военную экипировку.

12. В сфере развлечений: огромные бассейны с неньютоновской жидкостью для исследования ее свойств, игрушки лизуны, умный пластилин.

И это только часть областей, где можно было бы применить эту удивительную жидкость, свойства которой требует дальнейшего изучения.