Влияние звуковых колебаний разных частот на неньютоновскую жидкость - Томберг Наталья - 10 класс

ВВЕДЕНИЕ

В интернете я увидела видеоролик (4), в котором вещество, находящееся на динамике, при воздействии звуковых колебаний вело себя очень своеобразно. Под музыку из жидкости появлялись выросты, которые вели себя как живые, но, попадая за пределы динамика, это вещество начинало стекать как жидкость. Что это за интересное вещество? Можно ли получить в домашних условиях вещество, обладающее такими же свойствами? От чего зависит высота подъёма вещества под действием звуковых колебаний?

Гипотеза: Неньютоновскую жидкость можно получить в домашних условиях. С увеличением частоты звуковых колебаний свойства неньютоновской жидкости проявляются сильнее.

Ещё в 1889 г особенность движения аномальных жидкостей (проявляющих в определённых условиях свойства твёрдых тел) была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым, а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г. Поэтому неньютоновские жидкости иногда называют бингемовскими или шведовскими. Теория объяснила странное поведение жидкостей, но применение их на практике не произошло. Только сейчас учёные опять обратились к этим странным жидкостям, в университетах проводятся лабораторные работы с ньтоновскими жидкостями, школьники тоже должны знакомится с этими интересными веществами. В последние десятилетия знания о свойствах неньютоновской жидкости нашли в применении в автопромышленности (моторные масла, магнитные мелкодисперсные неньютоновские жидкости). Влияние резонанса на такие жидкости применения не получило, поэтому считаю выбранную мною тему актуальной. Проблема исследования – поведение неньютоновской жидкости при изменении градиента скорости. Объект исследования – неньютоновская жидкость. Предмет исследования - колебания неньютоновской жидкости.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: Исследование свойств неньютоновской жидкости под влиянием звуковых колебаний разных частот, наблюдение резонанса в вязкоупругих жидкостях.

Задачи:

1. Изучить свойства неньютоновской жидкости.

2. Экспериментальным путем изготовить неньютоновскую жидкость

3. Определить концентрацию крахмала и жидкости для наблюдения свойств неньютоновской жидкости.

4. Пронаблюдать движение неньютоновской жидкости под воздействием звуковых колебаний.

5. Проанализировать зависимость амплитуды колебаний неньютоновской жидкости от частоты звуковых колебаний.

Жидкость окружает нас всегда и везде. Сами люди состоят из жидкости, вода дает нам жизнь. С научной точки зрения жидкость – это одно из агрегатных состояний вещества, промежуточное между твердым телом и газом. Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные – невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижность, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил. Реальные – вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений. Реальные жидкости бывают двух типов: ньютоновские и неньютоновские. Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры, то такие жидкости называются ньютоновскими. Примерами таких жидкостей являются: вода, молоко, лимонад и т.д.

Аномальной или неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. (1) В зависимости от скорости воздействия на нее, неньютоновская жидкость может проявлять свойства жидкости (текучесть, вязкость, сохранение объема) или твердого тела (механические свойства, например, упругость). Именно своими необычными свойствами неньютоновская жидкость привлекла моё внимание. Весь секрет этих необычных свойств заключается в строении самой жидкости: жидкость по своему составу неоднородна, она состоит из мелких и крупных молекул (например, молекулы крахмала и воды), между крупными молекулами образуются физические контакты в виде хаотически сплетенных групп молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешние воздействия как упругая пружина. А при медленном воздействии зацепления успевают растянуться и распутаться, сетка рвется, и молекулы равномерно расходятся.

В окружающем нас мире мы можем непроизвольно столкнуться с неньютоновскими жидкостями. К ним относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, смазочные масла при низких температурах, расплавленные металлы при температурах, близких к температуре кристаллизации, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста), мед, зыбучие пески и даже кровь.

Резонанс - резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой собственных колебаний.(1)

Экспериментальная методика и результаты

Самый простой способ получения неньютоновской жидкости (на основе изученных материалов): смешать крахмал (картофельный или кукурузный) с водой, в соотношении 1:1. Но, попробовав изготовить неньютоновскую жидкость по этому рецепту, мы столкнулись с проблемой: полученная неньютоновская жидкость оказалась очень жидкой и не проявляла свойств неньютоновской жидкости.

Чтоб получить оптимальную концентрацию неньютоновской жидкости, мы поставили эксперимент, суть которого заключается в получении неньютоновской жидкости путём смешения крахмала и воды, начиная с малой концентрации. Проверить, какая получилась жидкость, ньтоновская или неньютоновская, очень легко, получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.

Результат эксперимента можно увидеть в таблице (см. таблица 1).

Таблица 1

Вывод: Для нашего эксперимента по проверке влияния звуковых колебаний на неньютоновскую жидкость концентрация крахмала и воды должна быть 5/4.

Эксперимент №2

Для проверки зависимости амплитуды колебания неньютоновской жидкости от частоты звуковых колебаний использовалась экспериментальная установка. (рис №1)

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

(1 – ГЗЧ (генератор звуковых частот), 2 - частотомер, 4 - вольтметр, 3 - резистор, 5 - динамик)

Мембрана динамика покрывалась тонкой полиэтиленовой плёнкой , на которую выливалась полученная нами неньютоновская жидкость. Для определения зависимости свойств неньютоновской жидкости была взята концентрация крахмала и воды 5/4.Колебания динамика создаёт тот изменяющийся градиент скорости, требуемый для проявления жидкостью свойств твердого тела. Амплитуда и частота звуковых колебаний могла регулироваться в диапазоне от 20 гц до 20000 Гц.

Результат эксперимента можно увидеть в таблице (см. таблица 2).

Таблица 2

Вывод: Наибольшую амплитуду неньютоновская жидкость вступающая в резонанс с колебаниями динамика звуковых колебаний, имеет при частоте в диапазоне от 30 до 40 Гц. При последующем увеличении частоты при 200 Гц и больше изучаемое вещество начинает вести себя как обычная жидкость, вязкость её уменьшается, появляется стоячая волна, зависящая только о частоты колебаний динамика.