Исследовательская работа "Экспертиза бытовых бумажных салфеток"

МБОУ СОШ №6,

Проектно-исследовательская работа

«Экспертиза бытовых бумажных салфеток»

Работу выполнили:             Яковлева Виктория, класс 10 «Б»

Руководитель:             Неронова Лада Николаевна,

             учитель физики  

г.Сасово Рязанской области

2019 – 2020 г.г.

Оглавление.

1.Обоснование ………………………………………………………..………....3

2.Цель проекта …………………………………………………………………..3

3. Задачи проекта……………………………………………….………………..3

4.Научная гипотеза……………………………………………...……………….4-5

5.Проблемный вопрос…………………………………………………...………5

6.Введение…………………………………………………………….…………...6    

              7.Основная часть

7.1.Исторический обзор ……………….…………………..…………………….6-8

7.2.Ход работы ….………………………………………………………….……...10

• Работа с салфетками……………………………………….......……...8-10
• Механические свойства…………………………….......……………10-11

8.Выводы …………………………….…………………………………………….12

9. Литература.....................……………………………………………….………13

10. Приложения….………………………………………………………..………14

Обоснование.

Человечество, к счастью, с удовольствием использует в быту не только технологически сложные устройства, но и довольно обычные предметы: мыло, полотенца, салфетки и т.д. Одними из важнейших ценностей человека являются время и здоровье, поэтом мы стараемся экономить своё время, не нанося вреда здоровью. В нашем быту появилось много простых приспособлений для этих целей: мусорные пакеты, кухонные бумажные полотенца, бумажные салфетки, влажные салфетки и др. Именно поэтому физическая экспертиза обычных бумажных салфеток заинтересовала меня, к тому же появляется перспектива дальнейшей работы с похожими по своему назначению предметами.

Цели проекта.

Повторение понятия смачивающая жидкость и несмачивающая жидкость; повторение сути капиллярных явлений; анализ формулы для расчета высоты поднятия смачивающей жидкости по капилляру; получение практических навыков определения среднего диаметра капилляров в пористом материале; повторение формулировки закона Гука; повторение понятий: относительное удлинение, механическое напряжение, модуль упругости (Модуль Юнга), предел прочности на растяжение; получение практических навыков определения максимального усилия на разрыв, модуля Юнга и предела прочности; выработка умений сопоставлять и анализировать результаты исследований, делать выводы из проведённой работы.

Главной особенностью выбранной темы является доступность лабораторного оборудования и исследуемых материалов, что немаловажно для школ. Кроме того, тема понятна любому человеку и интересна с точки зрения сопоставления содержания телевизионной рекламы и данных, полученных собственноручно. Важно и то, что предоставляется возможность проверить работу физических законов на практике с предметами домашнего обихода.

Задачи проекта.

• Изучить теоретический материал о свойствах жидкости.
• Ознакомиться с материалом о капиллярных явлениях.
• Провести серию экспериментов с целью выяснения причины поднятия жидкости в капиллярах.
• Обобщить изученный в ходе работы материал и сформулировать вывод.
  

Научные гипотезы.

В настоящее время выпускается много видов салфеток: четырёхслойные, восьмислойные, гладкие, перфорированные, тиснённые, цветные и т.д. Производители и продавцы рекламируют свой товар, как только могут, в том числе и по телевизору. Но, к сожалению, не всегда содержание рекламы соответствует действительности. Красивые эпитеты ни о чём конкретном не говорят. Поэтому интересно было бы проверить качество салфеток в лабораторных экспериментах.

Как известно, смачивающие жидкости по капиллярам поднимаются, преодолевая силу тяжести, на высоту.

          4σ

h= ---------

         ρgd

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения, d – диаметр капилляра. Чем тоньше капилляр, тем высота поднятия больше. На высоту влияет также плотность жидкости и её коэффициент поверхностного натяжения. Важно, что если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. С уменьшение этого угла увеличивается длина l столбика жидкости в капилляре, но не высота поднятия. При наклонном положении капилляра высота поднятия и длина столбика жидкости в капилляре связаны простой зависимостью h= l sin φ. Это означает, что как бы ни располагались капилляры в волокнистой или пористой структуре (строго вертикально, под углом к вертикали или даже с разветвлениями), высота поднятия жидкости будет зависеть только от σ, d, ρ и g. Важным свойством салфеток является впитываемость, что говорит о среднем диаметре капилляров в ней. Чем тоньше капилляры, тем на большую высоту (глубину) проникает в салфетку влага. Так как, салфетки, являются продуктом промышленной переработкой целлюлозы, то невозможно обеспечить строгое постоянство диаметра капилляров. Поэтому речь идет именно о среднем (или, как его еще называют, эффективном) диаметре.

В предстоящих опытах в качестве жидкости будет использоваться обычная водопроводная вода (плотность по таблице 1000 кг/м3). Но это значение, строго говоря, соответствует дистиллированной воде при температуре 4°C. С повышение температуры расстояние между молекулами воды увеличивается, а плотность уменьшается. Однако отличие очень мало, и им можно пренебречь. Иная ситуация с коэффициентом поверхностного натяжения. Его табличное значение для воды 73 мН/м. Но это соответствует опять-таки дистиллированной воде при температуре. Другая температура и наличие в воде примесей влияют на значение коэффициента поверхностного натяжения очень сильно, потому придётся находить его значение конкретно для той воды, с которой будут проводиться эксперименты. Вода должна быть приготовлена заранее, чтобы её температура была равна температуре воздуха кабинета и в течение занятия уже не изменялась.

Известен ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, например, измерение силы отрыва проволочной рамки или кольца от поверхности жидкости. Но проще всего определить σ по высоте поднятия жидкости известной плотности по капилляру известного внутреннего диаметра. Единственная точность в этом способе в том, что для достаточного точного определения σ внутренняя поверхность капилляра должна быть чистой. Если высота столбика воды, поднятого по капилляру, видна плохо, то воду нужно подкрасить чернилами, но в этом случае и все остальные опыты следует проводить с такой же подкрашенной водой (и при такой же концентрации чернил). Если в кабинете нет стеклянных капиллярных трубок, можно использовать прозрачные трубочки для коктейля.

Чтобы ускорить процесс поднятия воды, можно сначала опустить трубку нижним концом до дна стакана, а потом трубку приподнять – «лишняя» вода выльется в стакан, а останется лишь столбик соответствующей высоты. Эту высоту измеряем линейкой (пластмассой, чтобы не намокала). Если ширина стакана позволяет, то можно линейку поместить прямо в стакан, а если нет, то – снаружи, поближе к стенке стакана. Не забываем также, что высота столбика жидкости измеряется от поверхности воды в стакане до нижней точки мениска в капилляре.

Проблемный вопрос.

Любая независимая экспертиза проводится анонимно, т.е исследователю даются образцы продукции под номерами, а названия продукции и имена изготовителей известны лишь заказчику экспертизы. Но, т.к мы с руководителем не имеем личных интересов ни  к одной из фирм-производителей, то от нумерации образцов отказались. К тому же, выводы проекта помогут нам приложить полученные сведения к жизни.

Введение.

В наш век высоких технологий все большее значение в жизни людей имеют естественные науки.  Я думаю, что люди готовятся к новой научно технической революции, которая изменит наше будущее коренным образом. Но когда произойдут эти изменения никто не знает. Каждый человек своим трудом может приблизить этот день.

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. В данном проекте показана важность капилляров в жизни и быту человека.

Объект исследования: свойство жидкостей, всасываясь, подниматься или опускаться по капиллярам.

Предмет исследования: капиллярные явления и неживой природе.

Исторический образ.

Сам термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Например, на поверхности раздела жидкость – воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Это и является причиной различия свойств поверхностного слоя жидкости от свойств её внутренних объёмов.

Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением σ.

Поверхностное натяжение различных жидкостей неодинаково, оно зависит от их мольного объёма, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи между собой и др.
Если стеклянная трубка, столь же узкая внутри, как волос (лат. capillus), погружается в воду, то жидкость поднимается внутри трубки до высоты большей, чем снаружи. Это нарушение законов гидростатики вызвало на пороге XVIII в. возрастающий интерес к капиллярным явлениям. Для этого было две причины. Во-первых, следовало объяснить, например, почему вода в трубке поднимается, тогда как ртуть опускается; почему поднятие воды между параллельными пластинами вдвое меньше, чем в трубке с диаметром, равным расстоянию между пластинами; почему поднятие обратно пропорционально этому диаметру. Вторая причина происходила из понимания того, что наблюдались эффекты, которые должны возникать в результате действия сил между частицами вещества, и что изучение этих эффектов, следовательно, должно дать какие-то сведения о таких силах и, возможно, о самих частицах.

Первооткрывателем капиллярных явлений считается Леонардо да Винчи.

В 1804 г. Томас Юнг обосновал теорию капиллярных явлений на принципе поверхностного натяжения. Он также наблюдал постоянство угла смачивания жидкостью поверхности твердого тела (краевого угла) и нашел количественное соотношение, связывающее краевой угол с коэффициентами поверхностного натяжения соответствующих межфазных границ.

Эта работа все же не оказала такого влияния на развитие науки в этом направлении, какое оказала вышедшая несколькими месяцами позже статья Пьера Симона Лапласа . Это, по-видимому, связано с тем, что Юнг избегал использования математических обозначений, а пытался описывать все словесно, отчего его работа кажется запутанной и неясной. Тем не менее, он считается сегодня одним из основателей количественной теории капиллярности.

Огромный вклад в развитие теории капиллярных явлений и всей термодинамики внёс Гиббс.

Как видно из приведенного исторического обзора, капиллярные явления изучаются уже почти триста лет. За это время довольно сильно изменились способы описания капиллярных и поверхностных сил.

Теория Гиббса дала совершенно новый инструмент исследования поверхностных явлений. Кроме того, формула Лапласа для разности давлений в фазах вблизи искривленной поверхности их раздела была получена в теории Гиббса без всяких дополнительных предположений о радиусе действия межмолекулярных сил. Подход, развитый Гиббсом, и сегодня не теряет своей актуальности в силу своей универсальности и удивительной широты охвата явлений.

В настоящее время исследования в области капиллярных и поверхностных сил продолжаются, что обусловлено как их важностью в различных областях науки, так и широким спектром прикладного применения.

Ход работы.

1)Работа с салфетками.

Капиллярные трубки внутренним диаметром 2-3 мм; штативы лабораторные с кронштейнами; металлические стержни длинной 30-35 см и диаметром 4-6 мм; прищепки гардинные пластмассовые; кюветы с водой; измерительные линейки пластмассовые; зажимы для бумаг металлические; динамометры лабораторные ; стаканы для воды большие (250-500 мл); стаканы для воды малые (100-150 мл); салфетки нескольких видов; штангенциркули с нониусом.

Теперь о самих экспериментах. Отрезки салфеток, например, трёх видов, я подвешивала с помощью гардинных прищепок к горизонтальному стержню, закреплённому на штативе. Под металлическим стержнем расположила кюветы. Длина подвешенных отрезков должна быть такой, чтобы нижний конец слегка касался дна кювета – это около 20 см. когда налила в кюветы воду слоем толщиной примерно 1 см, нижние концы лент погрузила в воду.

В качестве кюветы можно использовать внешние блюдца от чашек Петри. Подойдут небольшие пластмассовые кюветы из-под салатов фабричного изготовления оптимального диаметра 11–13 см.

Как только концы салфеток оказались в воде, она сразу же начинает подниматься по капиллярам. Этот процесс можно продолжать 4-5 часов. Но салфетки удобны тем, что вода поднимается сразу за 15-20 минут почти на максимальную высоту. Этим временем я и ограничилась эксперименте. По истечении времени намокания салфеток я измерила высоту поднятия воды в каждом образце. Затем по формуле рассчитала величину среднего диаметра капилляров для каждого образца.

         4σ

d= ----------

         ρgh

Ускорение свободного падения лучше принять равным 9,8 м/с2.

Я использовала 6 сортов салфеток разных производителей. Опытным путем выявили победителей по впитываемости. Абсолютным лидеров по впитываемости стали салфетки «Hosti» - они имеют самые тонкие капилляры и впитывают воду лучше всего. Другие салфетки воду впитывают, что указывает на наличие капилляров. Толщина листа сухой однослойной салфетки где-то 0,08-0,1 мм, двухслойной – 0,1 мм.

В воде капилляры расправятся и наполнятся водой – салфетка станет толще. Но и в этом случае толщина не более 0,5 мм. Однако опыт показывает, что диаметр капилляров в ряде сортов салфеток должен быть больше.

Капилляры должны иметь диаметр чуть меньше 0,5 мм. Но тогда и вода по таким капиллярам должна подниматься на большую высоту! Почему же вода не поднимается? А потому, что капилляры в «отстающих» салфетках не сплошные, а прерывающиеся, - для жидкости нет «сквозных путей»снизу вверх (кроме того, в них может оставаться воздух).

Так же неплохие результаты по впитываемости показывают салфетки «Чистый Дом», «Цепрусс Б» и «Цепрусс С». А вот по прочности их результаты практически одинаковы. Существует несколько видов салфеток: многослойные и однослойные. Двухслойные показывают лучшие результаты. Если же слои аккуратно разделить, то результаты окажутся даже хуже: один слой двухслойной бумаги тоньше однослойной, следовательно, короче капиллярные цепочки.

В чем же секрет отличных капиллярных свойств бумаги именно в двухслойном варианте? А он – в промежутке между слоями, который играет роль капиллярной щели. Недаром ведь по двухслойной бумаге вода поднимается выше всего в тех местах, где сделано тиснение (для скрепления слоев) – там щель между слоями уже.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что если у однослойной бумаги впитываемость обеспечивается капиллярами, то у двуслойной – промежутком между слоями.

2) Механические свойства.

С одной стороны, салфетки должны быть в меру прочными, но не должны быстро рваться при использовании. К тому же салфетки должны быть достаточно эластичными. Эластичности соответствует физическая характеристика модуль упругости (модуль Юнга), а прочности – предел прочности на растяжение. Впрочем, для упрощенной экспертизы достаточно измерения усилия на разрыв. При исследовании прочности я ориентировалась на длину 10 – 11 см. и ширину 30 мм. Оказалось, что у некоторых салфеток разная прочность у краев и в середине. Поэтому желательно отрезать образцы либо с края, либо из середины. Кроме того, прочность разная на разных участках салфеток, что объясняется неоднородностью салфеток (разная толщина, случайные небольшие отверстия или инородные вкрапления). Но есть сорта, у которых механические свойства одинаковы как по ширине, так и по длине ленты.

С одного конца полоски я делала небольшой прогал, к нему прикрепляем зажим гардинный держатель, а за держатель цепляла крючок динамометра. Свободный конец салфетки держала пальцами. Одной рукой медленно тянула динамометр и измеряем прикладываемое усилие F разрыва (1,8 – 4 H). В некоторых случаях пришлось использовать два динамометра.

Предел прочности на растяжение σ - физическая величина, равная максимальному механическому напряжению, которое может выдержать материал без разрушения (в данном случае – без разрыва). А механическое напряжение равно отношению модуля силы упругости (или прикладываемой силы) к площади S поперечного сечения:

            F

 σ= -----------

           S

Для определения толщины салфеток требуется штангенциркуль с нониусом. Для более точного определения толщины желательно измерить сначала суммарную толщину полоски, сложенной пополам несколько раз, а затем разделить полученную толщину на количество слоев бумаги.

Для определения модуля Юнга Е я использовала закон Гука, согласно которому механическое напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению  ε деформируемого материала:

σ = Eε

Модуль Юнга не зависит от размеров тела σ при относительном удлинении ε=1. Чем больше Е, тем материал жестче. Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения полоски бумаги к ее первоначальной длине:

           λ

ε = -----------

           λ

Отсюда можно выразить модуль Юнга для исследуемого образца салфетки:

           F λ

Е = ------------

           S λ

вообще, при растяжении салфетки площадь поперечного сечения может уменьшаться, но это уменьшение очень незначительно, что им можно пренебречь. Салфетка – материал упругий. Если ее растянуть чуть - чуть и отпустить, салфетка вернется в исходное состояние, но если растянуть сильнее, то деформация станет пластической, хотя салфетка не порвется. Поэтому для определения модуля Юнга усилие должно быть не более 1 – 1,5 H для обеспечения именно упругой деформации. Удлинение удобно определять с помощью линейки – по перемещению зажима. Чтобы упростить измерения и расчеты, я прикладывала к разным образцам одинаковые усилия (например, 1 H), получая при этом различные удлинения. По формуле рассчитываем модуль Юнга Е для салфеток разных сортов (обычно 5 – 30 МПа). Как и положено, численные значения Е получились меньше числовых значений σ. Это указывает на то, что салфетки не могут выдерживать абсолютного удлинения в 2 раза.

Выводы.

IV. Все полученные данные для наглядности и удобства последующего анализа лучше свести в таблицу.

Сопоставление результатов исследования механических свойств различных сортов салфеток показывает, что самыми прочными являются салфетки «Hosti», у них самые высокие результаты.

Так же неплохие результаты показали салфетки «Чистый Дом» и «Цепрусс Б». Сопоставляя механические свойства с капиллярными, можно сделать вывод о качестве салфеток и сферах их применения. Все марки салфеток являются качественными, но наиболее лучшими по впитываемости являются «Hosti». Они отличаются так же большой прочностью. Все салфетки могут быть использованы по назначению, однако, у салфеток «Hosti» слишком высокая промокаемость.

По общим данным самыми лучшими являются салфетки марки «Solfi».

Несмотря на сильно различающиеся свойства, все испытанные образцы салфеток, согласно данным на упаковке, соответствуют ГОСТам на данный вид продукции. Так, что право выбора остается за потребителем – кому, что нравится!

Используемая литература

• Анциферов Л.И. – «Физика 10»; М.: «Мнемозина», 2001.
• Гальперштейн Л.Я. – «Здравствуй, физика!»; М.: «Детская литература», 1984.
• Кикоин А.К., Кикоин И.К. и др. – «Физика»; М.: «Просвещение», 2002.
• «Факультативный курс физики, 9 класс». Пособие для учащихся. Под редакцией А.В. Перышкина и С.Е. Каменецкого. М.: «Просвещение», 1989.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. – «Фейнмановские лекции по физике», том 4; перевод изд-ва «Мир», 1976.

Приложения