Как сделать неньютоновскую жидкость в домашних условиях

Ньютоновская жидкость как сделать

Тут все очень просто — берем обыкновенный крахмал, при чем для создания ньютоноской жидкости подойдет любой и кукурузный и картофельный (я проверяла). Картофельный просто намного дешевле и его вы быстрее найдете в продаже.

Крахмал насыпаем в глубокое блюдо и заливаем холодной водой в пропорции 1:1, так получится более вязкая структура, а если смешать в пропорции 1:2, то структура будет более твердая.

Если хотите получить более насыщенный цвет добавьте в жидкость пищевой краситель.

Все мешаем до обнородности ложкой, а лучше рукой

Добавляем воду постепенно, обращая внимание на структуру (должна получиться киселеобразная) и получаем Ньютоновскую жидкость

Когда ребенок наиграется с жидкостью, ее можно перелить в любую емкость в которой её будет удобно хранить и оставить открытой. Вода испарится уже через пару часов и когда вы решите поиграть с ньютоновской жидкостью, просто добавьте воды в необходимой пропорции. Использовать крахмал можно неограниченное количество раз.

Игра с ней гарантировано увлечет надолго не только Вашего ребенка, но и всю семью. 

Любопытные опыты с ньютоновской жидкостью

• Можно скатать шарик, а затем расслабить пальцы и наблюдать как шарик начинает течь сквозь них.
• Поместите любой предмет в жидкость можно руки, а можно к примеру чашку, а затем резко выдерните его и предмет поднимет емкость в воздух вместе с содержимым. Руки там окажутся просто зацементированными.
• Очень интересно наблюдать, как жидкость перетекает из одного блюдца в другое и твердеет.
• По жидкости можно постучать и наблюдать, что жидкость ведет себя как твердый предмет.

Ньютоновская жидкость в качестве игрушки примечательна ещё тем, что она полностью безопасна (в отличии от китайских лизунов). Если ребенок её даже и попробует, (хотя я не думаю, что она ему придется по вкусу), вреда она ему точно не принесет. Зато после игры комната, стол, стул и ванна буквально измазаны белыми пятнами которые к слову, очень легко смываются, как в прочем и руки ребенка!

Игра с ньютоновской жидкостью

Мы попробовали сделать лизун с помощью ньютоновской жидкости. Для этого взяли воздушный шарик и при помощи лейки наполнили его жидкостью. Хоть это было и не легко из-за вязкости

Затем завязали шарик и получили отличный антистресс с самовосстанавливающейся структурой.

Удачи в экспериментах и всегда отличного настроения!

Опыты и эксперименты для детей младшего возраста

Пожалуй, ни одно научное шоу для детей сегодня не обходится без неньютоновской жидкости: простые и эффектные опыты не требуют больших затрат, а реализовать их под силу любой маме. Нужны всего-то вода и крахмал!

Однажды на таком научном шоу на свежем воздухе довелось наблюдать даже неглубокую длинную яму, наполненную «волшебной» крахмальной смесью: когда ребенок стоял в ней, то погружался в жидкость, а когда бежал, то она чудесным образом превращалась под его ногами в твердую поверхность. Ну, если разогнаться как следует!

Как играть с неньютоновской жидкостью?

Можно сминать ее в руках, отмечая, как она внезапно становится твердой, но пластичной; лепить фигурки, которые тут же растекаются лужицей. Интересный эффект получается, если попытаться переливать неньютоновскую жидкость из чашки в чашку: она течет ровной струей, но стоит встряхнуть посуду, и жидкость затвердевает, словно по команде «замри!»

Неньютоновская жидкость реагирует не только на механическое воздействие, но и, к примеру, на звуковые волны; если у вас есть достаточно мощный динамик, она будет «танцевать» под музыку. если потихоньку подсыпать в нее при этом пищевые красители, эффект будет незабываемым!

Наконец, если не жалко крахмала, можно наполнить неньютоновской жидкостью ванну – не до верха, разумеется, только сантиметров 10. Детям нравится прыгать на твердой поверхности, и, остановившись, «тонуть» в ней!

Где применяют неньютоновские жидкости

Аномальные субстанции используют в таких отраслях:

• В военном деле — производство бронежилетов с технологией «жидкой брони». В месте удара наполнитель мгновенно затвердевает. В обычном состоянии жилет мягкий и эластичный.
• В производстве автомобилей. Специальные суспензии добавляют в масла для снижения трения при высоких оборотах мотора.
• В нефтяной промышленности. Полимерные добавки применяют для уменьшения коэффициента сопротивления в трубопроводах.
• В тушении пожаров. Чтобы увеличить длину струи из брандспойта, в раствор для тушения огня примешивают полимеры.
• В косметической промышленности. Синтетические ингредиенты, масла, воски добавляют в состав косметики, чтобы придать вязкость.

Реологические модели жидкостей

Классификация производится по зависимости вязких напряжений от скорости сдвига (градиента скорости) γ˙=|∂v→∂z|{\displaystyle {\dot {\gamma }}=\left|{\frac {\partial {\vec {v}}}{\partial z}}\right|}, где v→{\displaystyle {\vec {v}}} — скорость течения.

• Ньютоновская жидкость — линейный закон: σ=αγ˙{\displaystyle \sigma =\alpha {\dot {\gamma }}}
• Степенная жидкость — нелинейная, закон степенной: σ=αγ˙n{\displaystyle \sigma =\alpha {\dot {\gamma }}^{n}}
  • Псевдопластик — n<1{\displaystyle n<1}, при медленных движениях вязкость велика, затем убывает.
  • Дилатантная жидкость — n>1{\displaystyle n>1}, вязкость растёт с увеличением скорости.
• Бингамовский пластик (бингамовская жидкость, модель Бингама) подобна модели сухого трения:

σ={σ+αγ˙,γ˙>−σ+αγ˙,γ˙<{\displaystyle \sigma ={\begin{cases}\sigma _{0}+\alpha {\dot {\gamma }},{\dot {\gamma }}>0\\-\sigma _{0}+\alpha {\dot {\gamma }},{\dot {\gamma }}<0\end{cases}}}

Наглядным примером бингамовской жидкости является краска — за счёт действия связующих веществ возникает порог для напряжения сдвига, и она способна образовывать неподвижные слои на вертикальных поверхностях. Любые другие жидкости будут стекать вниз. Для неньютоновских жидкостей возможно наблюдение и других эффектов, связанных с нелинейностью либо существованием порога. Стоит отметить, что усложнение зависимости вязких напряжений заставляет отказаться от «традиционного» уравнения Навье — Стокса для ньютоновской жидкости путём усложнения модели вязкого тензора.

Отдельным случаем неньютоновских жидкостей являются тиксотропные и реопексные жидкости, вязкость которых изменяется с течением времени.

Другая классификация — по зависимости вязкости η{\displaystyle \eta } от величины скорости сдвига γ˙{\displaystyle {\dot {\gamma }}}:

• dηdγ˙>{\displaystyle {\frac {d\eta }{d{\dot {\gamma }}}}>0} соответствует случаю дилатантной жидкости;
• dηdγ˙<{\displaystyle {\frac {d\eta }{d{\dot {\gamma }}}}<0} соответствует случаю псевдопластической жидкости.

Типичными примерами дилатантных жидкостей являются концентрированные суспензии твёрдых частиц (например, зыбучий песок); псевдопластических — полимерные расплавы и растворы.

Как сделать неньютоновскую жидкость дома

Для создания субстанции возьмите такие ингредиенты, как:

• крахмал (кукурузный или картофельный) — 900 г;
• вода — 900 мл.

Подготовьте глубокую емкость для смешивания.

Количество составляющих можно брать любое. Главное — придерживаться пропорции 1:1.

Последовательность приготовления такая:

1. В емкость насыпьте крахмал.
2. Долейте воду, постепенно смешивая ингредиенты. Пусть дети перемешивают вручную, изучая свойства субстанции.

Экспериментируйте! Попробуйте пропускать жидкость сквозь пальцы, и она будет стекать. Погрузите руки в состав и попытайтесь резко вытащить — не выйдет. Они погрузнут как в болоте, а емкость поднимется вместе с руками.

Вот такие необычные свойства у неньютоновской жидкости. Состав совсем не подчиняется законам Ньютона, поэтому выполнять опыты интересно и увлекательно.

Начнем с того, что ньютоновская жидкость — это субстанция, которая оказывает сопротивление при сильном воздействии на нее и выполняет функцию твердого тела, а при незначительном приобретает свойства жидкого тела. На самом деле правильное название — неньютоновская жидкость, так как она состоит из крупных молекул и имеет неоднородную структуру. Приготовить ее можно даже в домашних условиях. В том, как сделать ньютоновскую жидкость, попробуем сейчас разобраться.

Создание флаббера или «резинки для рук» (другие названия ньютоновской жидкости) — простое и великолепное развлечение для детей. Такие научные забавы способствуют развитию мелкой моторики ребенка и активизации познавательной деятельности.

Зыбучие пески — неньютоновская жидкость пустыни

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.

Определение

Простое уравнение, описывающее силы вязкости в ньютоновской жидкости, во многом определяющие её поведение, основано на сдвиговом течении:

τ=μ∂u∂y{\displaystyle \tau =\mu {\frac {\partial u}{\partial y}}},

где:

• τ{\displaystyle \tau } — касательное напряжение, вызываемое жидкостью, Па;
• μ{\displaystyle \mu } — динамический коэффициент вязкости — коэффициент пропорциональности, Па·с;
• ∂u∂y{\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial y}}} — производная скорости в направлении, перпендикулярном направлению сдвига, с−1.

Это уравнение обычно используют при течении жидкости в одном направлении, когда вектор скорости течения можно считать сонаправленным (параллельным) во всех точках рассматриваемого объёма жидкости.

Из определения, в частности, следует, что ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления (а также от химического состава, если жидкость не является беспримесной), и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода.

Если жидкость несжимаема и вязкость постоянна во всем объёме жидкости, то касательное напряжение в прямоугольной системе координат выражается уравнением:

τij=μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi){\displaystyle \tau _{ij}=\mu \left({\frac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)}

с сопутствующим тензором напряжения P{\displaystyle \mathbb {P} } (также часто обозначается σ{\displaystyle \mathbf {\sigma } }):

Pij=−pδij+μ(∂ui∂xj+∂uj∂xi){\displaystyle \mathbb {P} _{ij}=-p\delta _{ij}+\mu \left({\frac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)},

где, согласно традиционным обозначениям тензора:

• τij{\displaystyle \tau _{ij}} — касательное напряжение на i{\displaystyle i}-й грани элемента жидкости в j{\displaystyle j}-м направлении;
• ui{\displaystyle u_{i}} — скорость в i{\displaystyle i}-м направлении;
• xj{\displaystyle x_{j}} — j{\displaystyle j}-я координата направления.

Если жидкость не подчиняется этим отношениям (вязкость изменяется в зависимости от скорости тока жидкости), то её в противоположность называют неньютоновской жидкостью: растворы полимеров, ряд твердых суспензий и большинство очень вязких жидкостей.

Как сделать неньютоновскую жидкость

Самый простой и незамысловатый способ изготовления – воспользоваться помощью крахмала.

Рецепт с крахмалом

Для этого нам понадобятся:

• крахмал – 2 части;
• вода – 1 часть;
• емкость для смешивания.

В крахмал медленно (главное условие!) добавляем воду комнатной температуры и тщательно размешиваем. По консистенции полученный материал должен напоминать кисель. Чтобы сделать субстанцию цветной, можно добавить пищевой краситель.

Такая неньютоновская жидкость удивит своими свойствами не только детей, но и взрослых.

Вот какие эксперименты можно с ней провести:

• Если положить ладонь на дно чашки с массой, а потом резко вынуть, то велика вероятность, что тарелка поднимется вместе с рукой.
• Если провести по поверхности субстанции руками, она соберется в комочки.
• Если в нее поместить ладонь и резко сжать пальцы, то между пальцами образуется твердая прослойка.
• Из субстанции при быстром взаимодействии можно скатать колобок или трубочку.
• Если переливать вещество из чашки в чашку, то можно заметить, как сверху она льется будто вода, а снизу застывает, будто тесто.

Если крахмала среди домашних припасов нет, можно поэкспериментировать и без него.

Рецепт с клеем ПВА

Для этого рецепта понадобятся следующие ингредиенты:

• три четверти стакана воды и еще половина стакана воды;
• один стакан клея ПВА;
• две столовых ложки буры.

В одной емкости тщательно смешиваем клей ПВА и три четверти стакана воды. В другой емкости смешиваем 2 столовых ложки буры и половину стакана воды. Перемешать до полного растворения буры. Затем соединяем обе жидкости в одну, при необходимости добавляем цветной краситель и снова все тщательно перемешиваем. Полученную субстанцию можно положить в пакет и оставить храниться в холодильнике, а при необходимости снова достать для игр.

«Вкусный» рецепт неньютоновской жидкости

Этому рецепту особенно порадуются детки-сладкоежки.

Банку сгущенки выливаем в кастрюльку и ставим на небольшой огонь на плиту. Добавляем столовую ложку крахмала, помешиваем и варим, пока жидкость не загустеет. В полученную субстанцию также для красоты можно добавить пищевой краситель. После того как масса станет однородной и загустеет, необходимо снять ее с плиты и поставить остужаться. Когда дети вдоволь наиграются с тем, что получилось, сладкое вещество с удивительными свойствами можно будет съесть.

Можно ли где-то использовать?

Несмотря на столь интересные свойства, неньютоновская жидкость не нашла своего практического применения. Ее характеристики настолько неустойчивы и трудно прогнозируемы, что даже в век развития технологий она годится только для игр с детьми.

Огромным достоинством жидкости является ее полная безопасность, поэтому родители могут играть даже с грудными детьми. Если малышу придет в голову попробовать необычную субстанцию, то вреда от этого не будет. Исключение составляют окрашенные жидкости, но если применять пищевые красители, то можно без опасений оставить ребенка одного с такой интересной игрой. Единственное: не удивляйтесь, если по возвращении застанете грязных ребенка, кухню и даже проходящего мимо кота.

Игры и опыты с неньютоновской жидкостью для детей

Неньютоновская жидкость своими руками — химический опыт в домашних условиях. Теперь изучите с ребенком физические свойства субстанции из крахмала:

1. Медленно опустите руку в состав — она войдет легко, как в воду.
2. Наотмашь ударьте ладонью по поверхности — рука отскочит, останется сухой.
3. Поручите ребенку размешать субстанцию быстро и медленно, сравнить результат.
4. Попробуйте скатать шарик из крахмальной массы. В движении шар будет твердым, при остановке растечется по ладони.

Этот рецепт неньютоновской жидкости позволит сделать хендгам без крахмала:

1. По 50 мл воды и клея ПВА тщательно смешать.
2. Добавить в смесь краситель, снова перемешать.
3. Отдельно растворить 20 г соды в воде (50 мл).
4. Постепенно влить содовый раствор в смесь, вымешивая до однородной консистенции.

Недостаток домашних хендгамов — недолговечность. Загрязненного «лизуна» нужно выбросить и сделать новую игрушку.

Объяснение опыта

Что происходит с жидкостью, когда вы пытаетесь на нее воздействовать (например, размешиваете ложкой воду в кастрюле)? Вы перемещаете одну часть жидкости (рядом с ложкой) относительно другой (у стенки кастрюли). При этом разрываются связи, удерживающие молекулы воды вместе – именно на это затрачиваются ваши усилия. Одни жидкости (и, кстати, газы тоже) перемешивать легче, другие – труднее.

Интуитивно очевидное с детства понятие на самом деле выражается через соотношение нескольких физических величин, значение которых будет непросто объяснить ребенку. Если вы все же решите это сделать, то расскажите ему об эксперименте с прямоугольной трубой, наполненной жидкостью.

Итак, представьте себе трубу, в которой находится жидкость. Ее верхний слой вы перемещаете с определенной скоростью, в то время как до дна просто не достаете – там жидкость неподвижна. Между верхним и нижним слоем жидкости возникает касательное напряжение – оно тем выше, чем большую силу вы прикладываете для перемещения верхнего слоя, и тем меньше, чем шире труба.
ῖ=F/S
Однако помимо ширины трубы имеет значение ее высоты. Она определяет скорость деформации жидкости она тем выше, чем быстрее течет верхний слой жидкости, и тем меньше, чем ниже труба.
Ῠ=v/H
Соотношение между ῖ и Ῠ называют коэффициентом динамической вязкости (или просто вязкостью) и обозначают буквой η.

Для множества жидкостей существует линейная зависимость между ῖ и Ῠ, собственно она такова и для воды

Именно на это обратил внимание Исаак Ньютон, заметивший, что грести веслами быстро намного тяжелее, чем делать это медленно:. «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

«Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которою частицы жидкости разъединяются друг от друга»

Их, в свою очередь, можно разделить на несколько классов:

• Псевдопластик — при медленных движениях вязкость велика, затем убывает.

• Дилатантная жидкость — вязкость растёт с увеличением скорости.

Именно к последним (дилантантным) относится разведенный в воде крахмал: его молекулы слишком велики, чтобы разные слои жидкости могли свободно двигаться один относительно другого, при резком смещении слоев они буквально «цепляются» друг за друга.

1.11.2018

Видео предоставлено автором – фотографом Анной Масловой (Sunni)
  
  Школа, о детях от 7 до 10 лет, Познавательное

О вязкости

Сэр Исаак Ньютон утверждал, что вязкость, или резистентность жидкости к течению, зависит от температуры. Так, к примеру, вода может превратиться в лед и обратно именно под воздействием нагревающих или охлаждающих элементов. Однако некоторые субстанции, существующие в мире, меняют вязкость вследствие применения силы, а не изменения температуры. Интересно, что к неньютоновским жидкостям причисляют повсеместно применяемый томатный соус, который становится жиже при условии длительного размешивания. Сливки же, наоборот, загустевают при взбивании. Этим веществам не важна температура — вязкость неньютоновских жидкостей меняется ввиду физического воздействия.

Классификация

Существует 3 основных группы аномальных субстанций.

Вязкие

Не зависят от времени. Среди них выделяют вязкопластичные — масляные краски, разновидности пасты. К псевдопластичным веществам относят суспензии полимеров, целлюлозы. При небольшом напряжении они текут. Дилатантные (раствор крахмала, различные типы клея) при интенсивном воздействии густеют.

Нереостабильные

Подвержены временному фактору. Простокваша, кефир, майонез, кетчуп теряют вязкость при взбалтывании. Их называют тиксотропными. Реопектические субстанции со временем уплотняются. Это коллоидные растворы, бентонитовые глины.

Вязкоупругие

Под воздействием силы текут, затем восстанавливают прежнюю структуру. К ним относят некоторые виды смол и тестообразные пасты.

Примеры природных неньютоновских жидкостей — это зыбучие пески, трясина на болоте, грунтовые плывуны.

Что такое неньютоновская жидкость

Неньютоновская жидкость названа в честь знаменитого английского физика Исаака Ньютона. Этот первооткрыватель закона всемирного тяготения известен не только своей любовью к яблокам. Однажды, плавая на лодочке по реке, он заметил, что весла странно себя ведут. Чем с большей силой он греб веслами, тем большее сопротивление оказывала вода. Если же он весла отпускал, греб медленно, то и вода по ним проходила легко.

Так, Исаак Ньютон сформулировал еще один закон физики: «Вязкость жидкости пропорциональна воздействию на нее». Если по воде шлепнуть рукой, то сопротивление воды будет ощутимо. Если же руку просто опустить в воду, то вода практически не сопротивляется.

Но не все жидкости подчиняются этому закону. Некоторые жидкие субстанции, например, слизь, ведут себя так, будто им закон Ньютона не писан. Их и назвали неньютоновскими.

Опыты

Как в целях научного познания, так и просто ради развлечения, можно попробовать провести следующие опыты:

• Проведите пальцем по поверхности получившегося сгустка. Заметили ли вы что-нибудь?
• Погрузите всю кисть руки в загадочное вещество и попытайтесь сжать его пальцами и вытащить наружу из контейнера.
• Попробуйте покатать субстанцию в ладонях, чтобы слепить шарик.
• Можно даже со всей силы хлопнуть по сгустку ладонью. Присутствующие зрители наверняка разбегутся в стороны, ожидая, что их сейчас обрызгает крахмальным раствором, однако необычное вещество останется в контейнере. (Если, разумеется, вы не пожалели крахмала.)
• Зрелищный эксперимент предлагают видеоблогеры. Для него вам понадобится музыкальная колонка, которую следует аккуратно обтянуть плотной пищевой пленкой в несколько слоев. Вылейте раствор на пленку и включите музыку на большой громкости. Вы сможете наблюдать потрясающие визуальные эффекты, возможные только при применении этого уникального состава.

Если вы проводите эксперимент в лаборатории перед школьниками или студентами, спросите их, почему неньютоновская жидкость ведет себя именно таким образом. По какой причине она кажется твердым телом, если сжать ее в руке, но при этом течет, как сироп, если разжать пальцы? По окончании дискуссии можно упаковать сгусток в большой пластиковый пакет с застежкой-молнией, чтобы сохранить его до следующего раза. Он пригодится вам для демонстрации свойств суспензии.

Неньютоновская жидкость в природе и в быту

Самым известным воплощением неньютоновской жидкости в природе являются зыбучие пески. Из-за необычной формы песчинок они обладают свойствами как твердых, так и жидких материй. Поток воды, циркулирующий под зыбучими песками, делает песок рыхлым. Когда человек наступает на него, песчинки перераспределяются, и его начинает засасывать. Чем сильнее человек сопротивляется, тем с большей скоростью он погружается в песок. Единственный способ выбраться – двигаться максимально медленно и плавно. Аналогичными свойствами обладает и болотная трясина, которая погубила немало людей, не знавших о свойствах неньютоновской жидкости.

Самым интересным применением неньютоновской жидкости в быту стала игрушка «Лизун», которая была произведена впервые в 1976 году. Из-за своих удивительных свойств она моментально приобрела необыкновенную популярность. Эластичность, текучесть, способность бесконечно трансформироваться сделали «Лизуна» одним из самых желанных приобретений для детей того времени. Игрушка пользуется спросом и сегодня.

Также неньютоновскую жидкость научились применять в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Свойствами данной субстанции обладают сточные грязи, жидкое мыло, зубная паста.