Dokumentace Řešitelky projektu: Klára Ambrožová, Alena Jurásková, Eva Sedláčková Vedoucí projektu: Blanka Truliková
Úvod Cílem našeho projektu bylo nalézt různé návody na výrobu nenewtonovských kapalin, tyto kapaliny vytvořit a prozkoumat jejich vlastnosti. Vzhledem k tomu, že na internetu jsou dostupná videa s velmi zajímavými experimenty, rozhodly jsme se také ověřit jejich věrohodnost a vyzkoušet platnost a přesnost uvedených informací, zjistit, které kapaliny jsou vhodné na jaký experiment. Menší časová dotace na projekt a náročnost výroby některých látek způsobily, že se nám cíle projektu podařilo splnit pouze v omezeném množství.
Teorie Nenewtonovské kapaliny Vedle newtonovských kapalin (látky, které se deformují působením tlaku průběžně, nezávisle na jeho velikosti) existují i kapaliny reologicky složitější, které se Newtonovým zákonem neřídí. Označují se proto jako nenewtonovské kapaliny a jsou to např. roztoky a taveniny polymerů, suspenze, různé pasty apod.. Platí pro ně analogicky s Newtonovým zákonem rovnice τ=η.D kde η je ovšem tzv. zdánlivá viskozita, která není látkovou konstantou, ale závisí na rychlosti deformace nebo tečném napětí. K charakterizaci toku nenewtonovských kapalin je proto nutno znát průběh závislosti η = η (D) v širším intervalu D. Rozdělení nenewtonovských kapalin •
• •
zobecněné nenewtonovské tekutiny – Binghamské tekutiny – tečou až od určitého napětí (suspenze křídy či vápna) – pseudoplastické tekutiny – viskozita klesá s rychlostí deformace (kečup) – dilatantní tekutiny – viskozita roste s rychlostí deformace (škrobové suspenze) viskoelastické tekutiny – tečou, ale zároveň si do určité míry „pamatují“ tvar a po odstranění napětí se částečně vrátí do původního tvaru s časovou závislostí – vlastnosti tekutiny jsou závislé na době působení napětí – tixotropní tekutiny – s dobou působení napětí viskozita klesá (nátěrové hmoty, laky) – reopexní tekutiny – s dobou působení napětí viskozita roste
1
Škroby Škrobové suspenze, které jsme vytvářely a zkoumaly nejprve, patří mezi dilatantní tekutiny, u nichž viskozita roste s rychlostí deformace. Na internetu jsme objevily několik receptů na škrobové suspenze, které většinou obsahovaly kukuřičný škrob. Objevily jsme následující recepty (v závorce na konci každého receptu je uveden orientační poměr škrob:voda): 3/4 šálku kukuřičného škrobu smíchat s 5 – 7 kapkami potravinářského barviva. Pomalu ke škrobu přidat 1/3 šálku vody, nemíchat! Nechat 3 minuty odstát, poté vzít vzniklou hmotu do ruky a hníst, dokud nevytvoří tvrdý „míč.“ (asi 9:4) Do ¼ hrnku kukuřičného škrobu pomalu přidávat 1-2 lžíce vody a promísit, získáme mazlavou směs. (4:1 až 4:2) Smíchat 4 díly škrobu s 1 dílem vody. (4:1) Smíchat 1,5 – 2 hrnky kukuřičného škrobu s 1 hrnkem vody. (3:2 až 4:2) Smíchat vodu a kukuřičný škrob v poměru 1:1. Jak je vidět, recepty jsou prakticky stejné, liší se pouze v poměru vody a kukuřičného škrobu, zde jsou však rozdíly markantní. Recept č. 5 se nám vůbec neosvědčil, výsledná hmota byla příliš řídká, u receptu č. 3 jsme naopak získaly směs příliš hustou. Vlastním zkoušením jsme se dopracovaly k poměru 2:1, který však není úplně přesný, je nutno občas přimíchat trochu vody či škrobu a průběžně kontrolovat, zda se vlastnosti vzniklé hmoty již blíží požadovaným. Pro bramborový škrob jsme žádné recepty nenalezly, přesto jsme chtěly zjistit, zda se suspenze z něj vytvořená nebude chovat podobně. Využily jsme tedy předchozího postupu a namíchaly jsme škrobovou hmotu s vodou přibližně v poměru 2:1. Vlastnosti této směsi byly
2
podobné jako v případě kukuřičného škrobu, byl však větší problém ji v daném stavu udržet. To znamená, že pokud se neustále nepromíchává, škrob a voda se od sebe opět oddělí, a to velmi rychle. Životnost vzniklých směsí není vysoká, začnou se kazit po pěti, někdy i méně, dnech. Vlastnosti škrobových suspenzí, 1. pokus Jak již bylo uvedeno výše, u těchto látek se viskozita mění s rychlostí deformace. Přímo z této definice vyplýval náš první pokus, kdy jsme do suspenzí narážely velmi prudce (jakýmkoliv předmětem), v tu chvíli viskozita vzrostla a hmoty se chovaly jako pevné látky, předmět se tedy neprobořil. Následně se předmět do suspenzí vsunul velmi pomalu , viskozita se zmenšila a předmět se ponořil jako u normální newtonovské kapaliny. Tyto vlastnosti umožňují si se škrobovými suspenzemi „hrát“, například je vytvarovat v dlaních a poté nechat stéct po prstech zpět do misky. Deformace škrobových suspenzí pomocí zvukových vln V rámci zkoumání jejich vlastností jsme vyzkoušely chování škrobů ve chvíli, kdy na ně působí zvukové vlny. Vzniklé suspenze jsme přelily do reproduktoru připojeného k zesilovači a tónovému generátoru, který nám vytvářel vlnění o určité frekvenci. Při frekvencích 20 – 80 Hz se suspenze začaly deformovat a vytvářet velmi zajímavé obrazce, krápníky, kuličky a další tvary, někdy dokonce „tancovaly na nožičkách“ či se pokoušely z reproduktoru utéct. Škroby však i přes velkou snahu nebyly tak živé a nevytvářely tak pěkné obrazce jako na některých videích, která jsme zhlédly. Problémem může být například nedostatečná amplituda reproduktoru či síla vzniklých vln. Pokus s vajíčkem Na internetu jsme nalezly video, v němž se podařilo ochránit vajíčko při pádu z výšky před rozbitím tím, že bylo ponořeno do sáčku se škrobovou suspenzí. Zaujalo nás to a chtěly jsme ověřit pravdivost tohoto experimentu. Namíchaly jsme 200 – 250 ml škrobové suspenze a provedly jsme několik pokusů. Z výšky 160 a 220 cm vajíčko ve škrobu náraz vydrželo, po pádu z výšky 500 cm se rozbilo. Vejce umístěné ve vodě se rozbilo již při pádu z výšky 160 cm. Vysvětlení popsaných pokusů Výše uvedené vlastnosti škrobové suspenze nejsou jednoznačně vysvětleny, existuje několik teorií: 1. Při pokojové teplotě se škrob ve vodě rozpouští jen trochu a mezi jednotlivými škrobovými zrny zůstává volný prostor, proto při pomalém míchání vykazuje suspenze vlastnosti kapaliny. Při rychlém promíchání vzniká teplo, které umožní škrobu nasáknout více vody. Většina vody se vsákne, molekuly se roztáhnou a směs se stává pevnou. 2. Toto vysvětlení zahrnuje statickou elektřinu. Když se částice škrobu navzájem třou, jsou nabíjeny a přitahovány. Čím rychleji směs mícháme, tím je přitažlivost větší a zvyšuje se viskozita. 3. Molekuly škrobu jsou tvořeny velmi dlouhými řetězci, které jsou do sebe zamotány. Pokud promícháváme směs pomalu, řetězce se stihnou rozmotat. Když budeme míchat velmi rychle, tak se řetězce nestihnou rozmotat a hmota se trhá.
3
Struktura škrobu:
Amylopektin
Amylóza
Gluep Tato směs nemá přesný název, přesto je velmi rozšířená a taktéž existuje více návodů na její přípravu. Jde o smísení bílého lepidla (Herkules) s boraxem neboli dekahydrátem tetraboritanu sodného (Na2BO4 *10H2O) a s vodou a popř. potravinářským barvivem. Vyzkoušely jsme tyto dva recepty: 1. roztok: smíchat 60ml boraxu, 250 ml vody a potravinářskou barvu 2. roztok: smíchat 250 ml lepidla Herkules a 250 ml vody Smíchat tyto dva roztoky v poměru 1:3. 1. roztok: smísit 20 ml Herkul a 20 ml vody 2. roztok: nasycený roztok boraxu (2,7 g v 100 ml vody) Za stálého míchání lijeme borax do lepidla, vzniklý sliz promýt v tekoucí vodě. Po přepočítání poměrů jsme vyrobily obě hmoty s velmi podobnými vlastnostmi, pouze v 1. případě byl roztok boraxu poněkud přesycený, takže se musela přidávat voda. Vzniklé hmoty zhrudkovatěly, avšak po řádném promíchání jsme získaly směsi podobné inteligentní plastelíně. Ač spíše pevné, za působení gravitace poměrně intenzivně tekly a ponechány na rovném povrchu se po 2-3 minutách roztekly na dvojnásobek plochy, kterou zabíraly předtím. Daly se roztrhnout a opět spojit a velmi slabě také skákaly. Bohužel tyto hmoty nemají velkou životnost, z „plastelíny“ vyrobené dle 1. receptu začala hned druhý den vytékat voda a obě dvě ztuhly a ani po přidání vody či dalších složek se jejich vlasnosti nevrátily. Vysvětlení vlastností gluepu Herkules je vlastně polyvinylacetát. A teče jako kapalina, protože jednotlivé polymerové řetězce se mohou pohybovat jeden vedle druhého, pohybují se volně. Borax je sůl kyseliny borité, také známý jako tetraboritan disodný. Jeho vzorec je Na2 (B4O5 (OH) 4). Při hydrolýze se rozkládá na Na+ a B (OH4) - . Když přidáte borax do roztoku klihu (Herkules), ionty tetraboritanu se naváží na velké řetězce polyvinylacetátu vodíkovými vazbami a vznikne složitější polymer, který vytvoří trojrozměrnou síť. Tato síť drží molekuly vody, které mají tendenci se vypařovat. To je důvod, proč sliz vysychá.
4
Deformace gluepu pomocí zvukových vln Také tyto hmoty jsme umístily na soustavu reproduktor-zesilovač-tónový generátor, výsledky však nebyly dobré, sliz na zvukové vlny téměř nereagoval. Weissenbergův efekt Při míchání klasické newtonovy kapaliny, jako je například voda, vzniká kolem míchačky vodní povrchová prohlubeň. Zajímavější efekty však poskytují nenewtonovské kapaliny. Weissenbergův jev je projev elasticity kapalin vznikem napětí kolmého k povrchu rotačního tělesa, kdy dochází k vytlačování kapalin směrem vzhůru. Dlouhé řetězce molekul mohou být modelovány jako chování pryžových pásků nebo pružin. Při natahování jsou pružiny z molekul natahovány kolem rotující hřídele a vykazují sílu kontrakce směrem k ose rotace jako zaškrcení, což nutí kapalinu téci ve směru k ose. Výsledkem je překvapivé stoupání této kapaliny po tyči, tzv. Weissenbergův efekt. Stoupání po tyči může být použito pro měření rozdílu normálových napětí. Tento efekt jsme zkoumaly na hustší směsi lepidla a boraxu. Při namotávání na dřevěnou tyčkou, kterou jsme měly nejprve umístěnou ve vrtáku, nám směs vystoupala do výšky 8 cm. Při točení tyčkou ručně nám hmota stoupla přibližně stejně. Když je hmota moc hustá, tak se trhá a když je řídká tak se nenamotává.
Inteligentní plastelína Plastelína je ve skutečnosti tekutina. Základní látkou, ze které byla vytvořena, je polydimethylsiloxan (PDMS). Tento organický silikonový polymer je známý svými viskoelastickými vlastnostmi. Při chemické analýze bychom našli ještě oxid křemičitý, Thixotrol a v menším množství také další chemické sloučeniny. Když do inteligentní plastelíny uhodíme kladivem, roztříští se na malé kousky. Plastelínu můžeme také roztrhnout prudkým pohybem jako papír, natáhnout jako žvýkačku. Kulička z ní vyrobená skáče jako hopík. Některé se přitahují k magnetu a mění barvu. Zkoušely jsme umístit plastelínu na reproduktor, ale nepozorovaly jsme žádné zvláštní jevy.
Závěr Náš projekt se zabýval nenewtonovskými kapalinami, pro které neplatí Newtonův zákon viskozity, a proto se chovají jinak než například voda. Zaměřily jsme se zejména na prozkoumání vlastností škrobové suspenze, směsi lepidla s tetraboritanem sodným a inteligentní plastelíny. Se škrobovou suspenzí jsme zkoušely několik pokusů, například jsme dali část na reproduktor, kdy byla deformována zvukovými vlnami, nebo jsme se pokusily zachránit vajíčko před rozbitím jeho umístěním do škrobové suspenze. Gluep (lepidlová směs) se při určitém množství přidaného boraxu velmi podobal inteligentní plastelíně, dal se trhat a také se po položení roztékal. Velmi zajímavý byl Weissenbergův efekt, při kterém nám gluep vylézal po tyčce nahoru.
Literatura http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Newtonian_fluid http://www.instructables.com/id/Oobleck/ http://www.exploratorium.edu/science_explorer/ooze.html http://www.scifun.org/homeexpts/lumpyliquids.htm http://www.youtube.com/watch?v=5GWhOLorDtw
5
http://www.youtube.com/watch?v=1eVFONh_5OM&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=3zoTKXXNQIU&feature=player_embedded#! http://www.youtube.com/watch?v=KYSlK4f94p0&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=KL8--cmew3k&feature=related http://www.ceskatelevize.cz/program/port/michaelovy-experimenty/354-veda-a-nahoda/ http://www.instructables.com/id/Make-Rheopectic-slime-in-less-than-15-minutes!It/step7/Differences-with-other-non-Newtonian-fluids-Ooble/ kf.upce.cz/Reologie%20a%20reometrie%20kapalin.doc www.kme.zcu.cz/granty/biofrvs/pdf/4-01FRVS-03.pdf
6
