Влияние звуковых колебаний на неньютоновскую жидкость
Механические свойства неньютоновской жидкости
Если ударить по этой смеси, то рука отскочит, как если бы это было твёрдое вещество.
Если засунуть руку в жидкость и резко сжать пальцы, можно почувствовать, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка, а если резко попытаться её вытянуть, ёмкость поднимется вслед за рукой.
Вывод: если на неньютоновскую жидкость воздействовать механическими усилиями она проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии – свойства жидкостей.
Коэффициент поверхностного натяжения
Коэффициент поверхностного натяжения определялся сталагмометрическим методом (метод счета капель).
Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю. В момент отрыва сила тяжести 
, действующая на каплю равна результирующей силе поверхностного натяжения 
: 
.
Отсюда следует, что, измеряя массу 
одной капли и зная диаметр d шейки капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения: 
| .m1, кг | N, капель | m0, кг | d1, м | d2, м | d3, м | <d>, м | , 
|
| 11,1·10-3 | 5,55·10-5 | 1,95·10-3 | 1,92·10-3 | 1,90·10-3 | 1,92·10-3 | 9,02·10-2 |
Масса капли: 
. 
–средний диаметр шприца.
Коэффициент поверхностного натяжения нашей неньютоновской жидкости =9,02·10-2Н/м.
Коэффициент поверхностного натяжения неньютоновской жидкости превышает табличные значения коэффициентов ньютоновских жидкостей.
.
Определение плотности
Плотность определялась следующими способами:
а) Расчет по формуле из курса физики: 
.
В этом опыте расчёт производился для образцов 7,8,9,10. Объём измерялся с помощью мензурки, масса при помощи рычажных весов.
б)С помощью ареометра (образец 8): 
=1250 кг/м³
в) Используя формулу Архимедовой силы (образец 8).
Условие плавания для деревянного бруска: 
Воспользовавшись законом Архимеда ( 
), получим:
,
откуда 
, где 
– масса деревянного бруска,
– объём погружённой части бруска с размерами: a=18мм, b=24мм, c=7мм.
Подставив значение, получили =1191 кг/м3.
Результаты опытов для образца №8 дали приблизительно одинаковые значения.
| № | m1, г | m2, г | , г/см3 | m= m2-m1, г | V, мл |
| 58,8 | 1.18 | 54,2 | |||
| 107,5 | 1.22 | 52,5 | |||
| 55,5 | 109,1 | 1.37 | 53,6 | ||
| 55,1 | 105,5 | 1.29 | 50.4 | 39(содержатся пузырьки воздуха) |
Определение вязкости
При движении сферической частицы в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Согласно закону Стокса при движении тела сферической формы сила сопротивления равна:
На частицу, движущуюся в жидкости в поле силы тяжести, действуют сила тяжести, выталкивающая сила и сила сопротивления. При равномерном движении в соответствии с первым законом Ньютона:
Или
,
где 1 и 2 – плотности материала частицы и жидкости.
Видно, сила сопротивления линейно зависит от скорости.
Для определения вязкости по методу Стокса берут высокий цилиндрический сосуд с двумя метками А и В. Метка А соответствует той высоте, где движение шарика становится равномерным, а нижняя метка В нанесена для удобства отсчета времени. Так как 
, то формула принимает вид: 
,
где g=9.8 
, D– средний диаметр шарика, 
– плотность материала, из которого изготовлен шарик, 
= 1,37 г/см3– плотность жидкости.
| V1,см3 | V2,см3 | V=V2-V1,см3 | m, г | , г/см3 | |
| 43,5 | 3,5 | 27,35 | 7,81 | ||
| 9,80 | 3,27 | ||||
| 41,5 | 1,5 | 13,45 | 8,97 | ||
| 11,55 | 11,55 |
| d1, мм | d1, мм | d1, мм | <d>, мм | t1,c | t2,c | t3,c | <t>,c | , Па·с | C, м/с | L,м | |
| 19,03 | 19,04 | 19,04 | 19,04 | 2,19 | 2,86 | 2,48 | 2.51 | 28,0 | 0.46 | 0,116 | |
| 19,16 | 19,21 | 19,13 | 19,17 | 3,54 | 4,21 | 4,18 | 3.98 | 14.1 | 0.29 | ||
| 14,97 | 14,98 | 14,96 | 14,97 | 0,76 | 0,77 | 0,76 | 0.76 | 6.2 | 0.15 | ||
| 14,24 | 14,24 | 14,24 | 14,24 | 0,99 | 0,99 | 0,98 | 0.99 | 9,7 | 0.12 |
– средний диаметр шарика
– среднее время движения шарика от метки до метки.
Вывод: вязкость неньютоновских жидкостей непостоянна и зависит от градиента скорости[4].
Влияние звуковых колебаний на неньютоновскую жидкость
Одним из исследований стало исследование влияния звуковых колебаний на неньютоновскую жидкость. Для этого мы подготовили неньютоновскую жидкость в соотношении 4:8 (образец 8), динамик, пленка. Мембрана динамика покрывалась полиэтиленовой плёнкой, на которую выливалась полученная нами неньютоновская жидкость. Для регулировки частоты звуковых колебаний использовалась программа “Звуковой генератор 4.0”.
Результат эксперимента можно увидеть в таблице.
Вывод: Наибольшую амплитуду неньютоновская жидкость, вступающая в резонанс с колебаниями динамика звуковых колебаний, имеет при частоте в диапазоне от 50 до 60 Гц. При последующем увеличении частоты при 170 Гц и больше изучаемое вещество начинает вести себя как обычная жидкость, вязкость её уменьшается, появляется стоячая волна.
Заключение.
При выполнении своей исследовательской работы, цели и задачи, поставленные мною в начале, были достигнуты.
Неньютоновская жидкость была приготовлена из картофельного крахмала и воды. Для определения оптимальной пропорции было приготовлено 10 образцов. Пропорция составила 4:8 в пользу крахмала.
Если на неньютоновскую жидкость воздействовать механическими усилиями - она проявляет свойства, близкие к свойствам твёрдых тел, а при медленном воздействии – свойства жидкостей.
Экспериментально были рассчитаны некоторые из свойств жидкости: вязкость, плотность и поверхностное натяжение.
Коэффициент поверхностного натяжения определялся сталагмометрическим методом. Оказалось, что поверхностное натяжение неньютоновской жидкости превышает значения для ньютоновских жидкостей.
Результаты опытов по определения плотности:
а. Расчет по формуле из курса физики 
: =1220 кг/м3;
б. С помощью ареометра =1250 кг/м³;
в. Используя формулу Архимедовой силы =1191 кг/м3.
Вязкость неньютоновской жидкости была определена по методу Стокса. По результатам измерений можно сделать вывод, что вязкость неньютоновских жидкостей непостоянна и зависит от градиента скорости.
Для исследования влияния звуковых колебаний неньютоновская жидкость выливалась на мембрану динамика, покрытую полиэтиленовой плёнкой. Частоту звуковых колебаний регулировали с помощью программы “Звуковой генератор 4.0”.Наибольшую амплитуду неньютоновская жидкость имеет при частоте в диапазоне от 50 до 60 Гц.
Приложение I
| фото I.1 |
| Фото I. 2 |
| фото I.3 |
| фото I.4 |
| фото I.5 |
| фото I.6 |
Приложение II
| фото II.1 |
| фото II.2 |
| фото II.3 |
| фото II. 4 |
| фото II. 9 |
| фото II. 10 |
| фото II. 11 |
| фото II. 16 |
| фото II. 17 |
| фото II. 18 |
| фото II. 19 |
| фото II. 20 |
| фото II. 21 |
| фото II. 22 |
Приложение III
Приложение IV
| № | Частей воды | Частей крахмала | Состояние жидкости |
| По вязкости не отличается от воды, не проявляет свойств неньютоновской жидкости | |||
| Не проявляет свойств неньютоновской жидкости | |||
| Не проявляет свойств неньютоновской жидкости, увеличение вязкости | |||
| Не проявляет свойства неньютоновской жидкости | |||
| Не проявляет свойства неньютоновской жидкости, увеличение вязкости | |||
| Свойства неньютоновской жидкости не проявляются | |||
| Начинает проявляться свойство неньютоновской жидкости, при быстром помешивании жидкость становится гуще, стекает с палочки, подобно сметане | |||
| Получили неньютоновскую жидкость, при медленном опускании болта шляпкой вниз, болт легко погружается в жидкость, а при резком погружении чувствуется сопротивление | |||
| Неньютоновская жидкость, но с ПАВ, при некотором отстаивании не образуется отслаивание воды и крахмала, а неньютоновская жидкость остаётся однородной консистенции | |||
| Слишком густая жидкость, при переливании в измерительную мензурку, образуются пустые полости |
Приложение V
| частота | наблюдение |
| Еле заметные образования волн | |
| Наблюдается стоячая волна (см. приложение II, фото II.1, фото II.2, фото II.3) | |
| Стоячие волны, единичные незначительные выросты, увеличение вязкости (см. приложение II, фото II.9, фото II.10, фото II.11, фото II.12) | |
| По центру наблюдаются небольшие поднятия, начинают появляться выросты (см. приложение II, фото II.13, фото II.14, фото II.15) | |
| По периметру наблюдаются небольшие выросты (см. приложение II, фото II.4, фото II.5, фото II.6, фото II.7, фото II.8) | |
| Наблюдается максимальное подтяните по центру (см. приложение II, фото II.16, фото II.17, фото II.18, фото II.19) | |
| Вырост по центру уменьшается (см. приложение II, фото II.20, фото II.21, фото II.22) | |
| Появляются стоячие волны в центре | |
| Распространение стоячих волн практически на всю поверхность | |
| Вязкость увеличена, волны есть | |
| Волн нет | |
| Увеличение вязкости, небольшие выросты по краям, бугорочек по центру | |
| 110-160 | «Прыгающие» выросты очень маленькие, постепенное уменьшение размера |
| Уменьшение вязкости |