Как проверить качество воды в домашних условиях: как правильно сделать анализ питьевой жидкости

Защита человеческого тела от различного оружия является актуальной задачей на протяжении многих веков. В античные времена воины зачастую использовали одни щиты, в средневековье большое распространение получили тяжелые доспехи, вес которых часто составлял 30-50 кг. Позднее, когда огнестрельное оружие получило широкое применение, доспехи стремительно начали терять свою актуальность, однако дали путевку в жизнь современным бронежилетам, которые состоят из пластин, способных погасить энергию пули и парировать удар холодным оружием. При этом прогресс не стоит на месте, и бронежилеты постоянно совершенствуются. Они становятся все более прочными, теряя при этом вес и становясь все более комфортными для ношения. Одним из новых решений в области создания бронежилетов может стать броня на основе неньютоновской жидкости. Таким образом, на смену кевлару может прийти жидкость. Работу в этом направлении сегодня ведут польские ученые из Института технологий безопасности Moratex. Они решили найти военное применение давно известному веществу — неньютоновской жидкости, вязкость которой при течении зависит от градиента скорости. Жидкая броня от польских специалистов получила обозначение STF — Shear-Thickening Fluid. Она в состоянии обеспечить защиту от пробивной силы высокоскоростных средств поражения, хорошо рассеивая ударную волну по большой площади. Неньютоновская жидкость представляет собой интересное вещество, которое временами может вести себя, как твердое тело, а временами как самая настоящая жидкость. Обычная жидкость может течь и растекаться, и неньютоновская жидкость это тоже может. С другой стороны, обыкновенная жидкость не может быть твердой, образовывать и отскакивать, а неньютоновская жидкость может. Такое вещество интересно уже само по себе. Причиной такого поведения неньютоновской жидкости является то, что чаще всего они созданы из полимерных молекул большого размера. «Сцепление» между такими молекулами не очень велико, но данные молекулы в состоянии достаточно свободно скользить относительно друг друга. Самым простым наглядным бытовым примером подобной жидкости выступает смесь крахмала с небольшим объемом воды. Чем быстрее будет происходить внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше будет вязкость жидкости. image В отличие от обыкновенных жидкостей, которые могут изменять свою структуру в зависимости от колебаний давления или температуры, неньютоновские жидкости в состоянии изменять также свою вязкость в стрессовых условиях. Говоря проще, они могут очень быстро превращаться в прочный материал. Это происходит при достаточно сильном ударе, к которому можно отнести попадание в объект пули. Современные кевларовые бронежилеты в состоянии хорошо удерживать пулю, но при этом при попадании в них они прогибаются на глубину до четырех сантиметров, что, конечно же, лучше, чем пулевое ранение, но так человек может получить серьезную травму в виде сильного ушиба или перелома. В то же время, благодаря особым свойствам неньютоновской жидкости и тщательно рассчитанной конструкции вставок деформация бронежилета с использованием данного материала уменьшается до вполне безопасного для человека одного сантиметра, устраняя при этом опасную для жизни угрозу на все 100%. Помимо этого, неньютоновская жидкость в состоянии при ударе распределить энергию равномерно по всей площади бронежилета. Пока что польские ученые не торопятся раскрывать точный состав своей жидкости, которая применяется в их бронежилете, но при этом они уверяют, что такой бронежилет в состоянии остановить пулю, которая летит со скоростью до 450 м/с. То есть речь пока идет о пистолетных пулях. К примеру, начальная скорость пули широко распространенного ПМ составляет 315 м/с, а пистолета ТТ — 424-455 м/с. В то же время начальная скорость пули не менее распространенного автомата АК-74М составляет 900 м/с. По словам польских специалистов, использование неньютоновской жидкости практически исключает вероятность рикошета из-за гораздо более эффективного рассеивания энергии удара. Это же означает, что носитель такого бронежилета почувствует при попадании в него пули меньшее воздействие. При ударе на высокой скорости поражаемый участок STF затвердевает мгновенно, эффективно рассеивая ударную энергию и защищая внутренние человеческие органы. image При этом «жидкая» броня обещает быть достаточно легкой, а бронежилет из нее достаточно удобным, не мешающим человеку выполнять свою работу, не причиняя при этом неудобств при носке, он не будут сковывать движений. По словам польских разработчиков, их бронежилет будет весить легче изделий из кевлара. Судить об этом пока довольно сложно, в широком доступе имеется лишь небольшое видео, которое было опубликовано на YouTube. Стоит отметить, что подобные разработки в разное время велись в Великобритании и США. Но созданные в этих странах жидкости были наиболее прочными в сочетании с защитой из кевлара, что делало создаваемые жилеты очень тяжелыми. Однако в Moratex утверждают, что разработанное ими вещество может применяться для производства бронежилетов, которые потребуют минимального количества вставок из дополнительных материалов. Польские ученые не намерены останавливаться лишь на военной стороне своей разработки. Помимо этого, они работают над магнитореологической жидкостью, которая сможет менять свою вязкость под воздействием магнитного поля. По их словам, обе этих жидкости можно будет использовать не только при производстве бронежилетов, но и для производства автомобильных бамперов, профессионального спортивного снаряжения и защитных дорожных ограждений.

Автор:

Ctrl Enter Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Ненью́то́новской жи́дкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости[1][2]. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости.

История

В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. Он сформулировал закон, согласно которому при сдвиговых течениях касательные напряжения между слоями жидкости увеличиваются пропорционально относительной скорости движения соседних слоёв (оригинальная формулировка Ньютона в переводе А. Н. Крылова: «Сопротивление, происходящее от недостатка скользкости жидкости, при прочих одинаковых условиях предполагается пропорциональным скорости, с которой частицы жидкости разъединяются друг от друга»). Ньютон дополнительно обратил внимание на особенности жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной системы посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. Если поддерживать вращение цилиндра, то постепенно вращение передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие одинаковое распространение.

Эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии (раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества).

Реологические модели жидкостей

Классификация[3][4] производится по зависимости вязких напряжений от скорости сдвига (градиента скорости) γ ˙ = | ∂ v → ∂ z | {displaystyle {dot {gamma }}=left|{frac {partial {vec {v}}}{partial z}}right|} «Жвачка для рук» в покое проявляет свойства жидкости. В качестве популярных примеров можно привести игрушки «Жвачка для рук» и «Лизун».

См. также

Эта страница в последний раз была отредактирована 10 июня 2021 в 17:47. Домой Разное Загадки неньютоновской жидкости

Человек на протяжении нескольких тысячелетий проявляет значительный интерес к изучению жидкости, этот интерес вызван рядом причин.

Во — первых, наличие в природе значительных запасов жидкостей, которые легкодоступны человеку.

Во — вторых, жидкие тела обладают рядом полезных свойств, которые можно без особых проблем использовать в повседневной жизни.

В — третьих, немаловажным фактором является то, что большинство химических реакций протекают в жидкой фазе (чаще всего в водных растворах).

Жидкостью — это одно из состояний вещества, основным свойством которой, является способность неограниченно менять форму под внешним воздействием, сохраняя при этом объём. К Физическим свойствам жидкости относятся: текучесть, сохранение объёма, вязкость, испарение, кипение и т.д.

В гидродинамике жидкости делятся на ньютоновские и неньютоновские?

Откуда возникло такое деление?

В конце XVII века Исаак Ньютон обратил внимание, что быстро грести вёслами гораздо тяжелее, нежели если делать это медленно. Он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на неё. Следовательно, Ньютоновская жидкость это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона.

А неньютоновская жидкость та, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. К ним можно отнести масляные краски, зубную пасту, болото, жидкое мыло, зыбучие пески и др.

Неньютоновские жидкости с каждым годом все больше завоевывают наш мир. Так ученые на основе такой жидкости изобрели «Жидкую сумку», которая способна подавить взрыв в багажном отсеке самолета. «Жидкий бронежилет», в котором используется жидкая субстанция, заполняющая пространство и гасящая удар.

На сегодняшний день существует множество примеров применения такой жидкости: в кулинарии, косметологии, медицине и др.

С целью выяснения распространённости знаний о существовании неньютоновских жидкостей было проведено анкетирование студентов, преподавателей и родителей учащихся.

Результаты показали: около 50% опрошенных ответили, что существуют жидкости по поверхности которых ходить можно и это не вода. Остальные же не верят в существование такие жидкостей или попросту о них не знают. Результаты анкетирования убедительно показали, что данная работа будет интересна не только студентам, но и взрослым.

Таблица 1 Результаты анкетирования

Вопросы Ответы студентов Ответы родителей
1. может ли человек ходить по поверхности воды? 53 % ответили, что жидкости, по поверхности которых человек может ходить, существуют и уверены, что это не вода. 85     %     отрицательных ответов
2. Может ли человек ходить по поверхности какой-либо другой жидкости? 46     %     отрицательных ответов
3. Если «да», то, что это за жидкость? 8 % опрошенных учеников ответили,                      что

передвигаться надо очень быстро, а жидкость должна быть очень вязкой.

19 % предполагают, что такие                 жидкости существуют:                это жидкости вязкие, с большой плотностью.

Для исследования свойств неньютоновской жидкости мы совместно с преподавателем ее приготовили, смешав при этом крахмал и воду в пропорциях 1:1. В результате получили вязкую жидкость, обладающую уникальными свойствами.

Опыт №1. Заметили, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее, то нет.

Опыт №2. Так, если в воду бросить предмет он упадет на дно, но если этот же предмет бросить в неньютоновскую жидкости он какое то время будет на поверхности, как если бы он соприкоснулся с твёрдым веществом.

Опыт №3. Кроме того, можно опустить руку в жидкость и резко сжать пальцы. Можно почувствовать, как между ними образовалась твёрдая прослойка.

Опыт №4. Если опустить предмет в эту смесь и резко попытаться её вытянуть, то большая вероятность, что она поднимется вслед за ним, в отличие от воды.

Опыт №5. Когда быстро воздействовать на жидкость, например, катать шарик, то он получится на самом деле, но как только мы прекратим это воздействие, то жидкость растечется в руке. Следовательно, если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, а если это прекратить, то она снова примет свойства жидких тел.

Опыт №6. Течение вязкой жидкости. Неньютоновскую жидкость выливали с высоты 15 см и наблюдали: что струйка начинает накручиваться колечками или складываться складками, образуя «жидкий канат». Это получалось из-за того, что падая и ударяясь о поверхность, струйка сжимается.

В результате проведенных опытов было выявлено ряд различий свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей, что позволяет ее использовать в современном мире. А также был проведён обзор теоретических источников информации. Проведена серия экспериментов с неньютоновской жидкостью. Были выполнены все поставленные задачи, сделаны все запланированные опыты и подтверждена гипотеза: неньютоновская жидкость, это смесь, которая действительно обладает свойствами жидкостей, а также некоторыми «особыми» свойствами и по ней можно ходить!

Таблица 2 Сравнение свойств ньютоновской и неньютоновской жидкостей

Свойства Ньютоновская жидкость Неньютоновская жидкость
1 Текучесть Да Да
2 Вязкость Незначительная Значительная
3 Смачивание Значительное Незначительное
4 Испарение Да Да
5 Смешиваемость Отличная Затруднена
6 Однородность по составу Однородны Неоднородны
8 Пластичность Нет Да, некоторые видны
9 Хрупкость Нет Да, некоторые видны
10 Твердеет при сжатии или ударе Нет Да, некоторые видны
11 Пружинит при ударе Нет Да, некоторые видны

Существует много удивительных вещей вокруг нас, и неньютоновская жидкость яркий этому пример. Мы надеемся, что нам удалось наглядно продемонстрировать ее удивительные свойства.

Статья на тему загадки неньютоновской жидкости

НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ

30 ноября, 2012 admin

Обобщение результатов экспериментальных исследований мощ­ности, расходуемой на перемешивание неньютоновских жидкостей, до сих пор наталкивается на большие трудности из-за того, что вязкость таких жидкостей зависит, в частности, от гидродинамиче­ского режима в аппарате с мешалкой, а следовательно, от числа оборотов мешалки и ее типа (или типа аппарата с мешалкой).

В этом случае недостаточно знать реологическую кривую данной неньютоновской жидкости, полученную на основе вискозиметриче — ских измерений, так как по-прежнему возникает проблема опре­деления градиента скорости Dw/Dx для данной скорости вращения мешалки и конкретного аппарата, предназначенного для переме­шивания.

Из всех неньютоновских жидкостей наиболее простыми являются пластичные вещества (бингамовские), поскольку их можно описать с помощью только двух параметров: предела текучести т0 и пластиче­ской вязкости г)р. Если эти два параметра поставить вместо вязкости в функцию, описывающую в общем виде мощность, расходуемую на перемешивание [см. уравнение (IV-2)], то после проведения анализа размерностей получается функция мощности (Ей), в которую кроме критерия Рейнольдса

И критерия Фруда

Fr =——

G

Входит безразмерный модуль

Не— То^2

Чр

Известный под названием критерия Хедстрёма.

Магнуссон [62] предложил пользоваться для расчета мощности, расходуемой на перемешивание неньютоновских жидкостей, кри­терием Рейнольдса

Ча

Здесь га обозначает так называемую кажущуюся вязкость, опре­деляемую экспериментально, но не с помощью вискозиметра, а только на основе контрольных измерений мощности, расходуемой на пере­мешивание, в аппарате с мешалкой. При этом предполагается, что вязкость к]а должна принимать такие значения, чтобы данные изме­рений для неньютоновской жидкости отвечали зависимости Ей = = / (Re) для ньютоновской жидкости (в области ламинарного те­чения).

Дальнейшее развитие идея Магнуссона получила в работе Метц — нера и Отто [66]. Они предположили, что кажущуюся вязкость г]а можно будет рассчитать, исходя из основных реологических кривых

Полученных по вискозиметрическим измерениям, если определить заменяющее значение градиента скорости (скорости сдвига) Dw/Dx, Пользуясь процедурой, предложенной Магнуссоном.

Для определения этой величины авторы приводят зависимость:

^- = кп (IVS5)

Ах

Гдек — постоянная для данной мешалки и рода жидкости;п — число оборотов мешалки.

Используя псевдопластичные жидкости, Метцнер и Отто для турбинной мешалки с прямыми лопатками нашли значениек = 13.

В позднейшей работе Метцнер и сотрудники [67 ] определили для пластичных и псевдопластичных жидкостей при ламинарном и переходном режиме более точные значения постояннойк: Для турбинной мешалки с прямыми лопатками

К = 11,5 ± 1,4

Для турбинной мешалки с наклонными лопатками

К = 13 ±2

Для пропеллерных мешалок типа корабельного винта с шагом S D И S = 2d

К = 10 ±0,9

Авторы предлагают принимать к = И как среднее значение — постоянной для всех трех указанных выше типов мешалок.

Подобные значения постоянной к нашли и другие авторы: Коль­дербанк и Му-Янг [21 ], Годлеский и Смит [30], Форести и Лю [28].

Результаты экспериментальных исследований Метцнера и со­трудников [67 ] для турбинной мешалки с прямыми лопатками и Псевдопластичных жидкостей приведены на рис. IV-26; непрерывная линия представляет характеристику мощности в случае ньютонов­ских жидкостей.

Рис. IV-26. Корреляция экспериментальных данных по мощности, расходуемой на перемешивание, для неньютоновских жидкостей и турбинной мешалки с пря­мыми лопатками; аппарат с мешалкой имеет размеры D = 50,9 — ь 204,2 мм; D/D~ 1,3 — г — 5,5 для области ламинарного течения и D/D = 2,0 — н 5,5 для пере­ходной области,т = 0,2 1,5,га = 0,1 — ь 18 Па-с (1 — 180 П), J = 4,

В = 0,1 D [67]:

1 — для ньютоновских жидкостей по данным Раштона и сотрудников;2 — для сосуда с отра­жательными перегородками; 3 — для сосуда без отражательных перегородок.

Из рис. IV-26 следует, что в ламинарной области кривые для ньютоновских и неньютоновских жидкостей совпадают. В переход­ной области неньютоновские жидкости дают отклонение кривой книзу. Это связано с расширением ламинарной области для таких Жидкостей до значения Re = 30.

Таким образом, если для расчета мощности, расходуемой на перемешивание неньютоновской жидкости, пользоваться кривой для ньютоновской жидкости, то мощность будет вычислена с некоторым запасом.

Приведенный выше способ расчета мощности, расходуемой на перемешивание, дает слишком большую погрешность в случае Дилатантных жидкостей. Отсюда следует вывод, что для этих жид­костей уравнение (IV-85) не может быть использовано.

Кольдербанк и Му-Янг [21 ] провели обширное исследование пластичных, псевдопластичных и дилатантных жидкостей с исполь­зованием турбинных, лопастных и пропеллерных мешалок. Эти авторы предлагают следующие формулы: для пластичных и псевдопластичных жидкостей

Dwdx

= 10 п

(IV-86)

Для дилатантных жидкостей

D о,5

(IV-87)

Dw

Сначала Кольдербанк и Му-Янг [21 ] дали значение постоянной уравнения (IV-87), равное 12,8, однако Батес, Фонда и Копштейн исправили его на 38.

(IV-

В следующей работе [20 ] Кольдербанк и Му-Янг предложили более общую формулу, по которой рассчитывается заменяющая скорость сдвига для обеих вышеупомянутых групп неньютоновских жидкостей:

— Вп ( ^Т ^ 1

Dx V Ът~-1 /

ГдеВ — постоянная, зависящая от рода неныотоновской жидкости, геометрических параметров аппарата с мешалкой и типа мешалки; п — число оборотов мешалки; т — индекс течения.

Таблица IV-5

Значения постояннойВ в уравнении (IV-89)

Псевдопластичные жидкости(т<</i> 1) D/D 1

Тип мешалки

> 1,5

1,184

1,

Ill

1,072

1,047

Якорная мешалка 2)

19

39

51,5

71,5

84

Турбинная мешалка (Z = 6)

11,6

Лопастная мешалка (Z = 2)

10

Пропеллерная мешалка (Z = 3)

10

Вращающийся цилиндр

12,56 =

-4л (тег

Ретпческое значение)

Дилатантные жидкости (m > 1)

D 1D

1,5

2,0

3,0

2,13

Турбинная мешалка (Z 6)

50

34,5

22,5

_

Лопастная мешалка ,(Z = 2)

27

22,5

Пропеллерная мешалка (Z = 4)

23,5

0,ID.

Сосуд с четырьмя отражательными перегородками, ширина каждой из которых равна

!) Сосуд без отражательных перегородок.

F.

Формула (IV-88) была выведена на основе уравнения Метцнера [65], относящегося к течению жидкости в трубах. Для диапазона Т = 0,05 — г-1,68 ее можно упростить до вида:

•Д—- 1,15i?n ± 11,5% (IV-89)

Ах

Значения постояннойВ даны в табл. IV-5.

Изучением мощности, расходуемой на перемешивание неньюто­новских жидкостей, занимались многие другие ученые [2, 13, 21, 26, 32, 73, 98, 114], которые предложили конкретные уравнения для отдельных мешалок, чаще всего в виде:

Еи= С Re«A (IV-90)

Здесь С и А — постоянные для данной мешалки и диапазона значений критерия Рейнольдса. Однако различные авторы дают неодинаковое определение критерию Рейнольдса в этих зависи­мостях.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.Если насыпать в воду крахмал из расчета 1 к 1, можно будет ходить по ней. Эксперименты подобного рода демонстрируются в Youtube. Все объясняется просто: есть ньютоновские жидкости, а есть…Естественные науки Физика19.07.2012, ЧТ, 18:02, Мск

Если насыпать в воду крахмал из расчета 1 к 1, можно будет ходить по ней. Эксперименты подобного рода демонстрируются в Youtube.

Все объясняется просто: есть ньютоновские жидкости, а есть неньютовские. У ньютоновских жидкостей вязкость возрастает в прямой зависимости от приложенного к ним давления, а у неньютоновских — по экспоненте. Можно спокойно опустить руку в такую жидкость, но если сильно ударить по ней кулаком, есть вероятность сломать кисть, поскольку это будет удар по твердой поверхности. Физика данного явления до сих пор оставалась загадкой — ученые не могли объяснить, почему обыкновенная ньютоновская вода приобретает такие свойства, если в нее насыпать крахмал.

Вдохновленный роликом Youtube, но не довольный представленными там объяснениями Скотт Уайтукайтис, физик из Университета Чикаго, решил заглянуть внутрь этой непрозрачной смеси и посмотреть, как она себя ведет при резком ударе. Вместе с коллегами он смешал воду с кукурузным крахмалом и стал бить по ней металлическим прутом, регистрируя происходящее под поверхностью смеси с помощью рентгеновской установки. Далее он обработал полученные данные на компьютере и таким образом сумел разобраться с механизмом отвердения этой неньютоновой жидкости.

Оказалось, что все происходит следующим образом: удар выдавливает воду, находящуюся между крупинками крахмала, и трение между ними резко возрастает. Подобно снежинкам в снежке, они слипаются вместе и создают расширяющийся фронт вещества, которое в месте удара ведет себя как твердое тело.

Дениэл Бонн, голландский физик из Амстердамского университета, который тоже изучал этот эффект – он стрелял в воду с крахмалом — утверждает, что он предполагал нечто подобное. В чикагском же исследовании его поразило то, что ученым удалось подсмотреть, как под поверхностью расширяется крахмал.

Оба ученых надеются, что их коллегам когда-нибудь удастся пропитать подобной неньютоновой жидкостью кевлар и намного увеличить прочность бронежилетов.

КПКВ  | —>В 

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий