Тает в вискозиметре, а не в руках Teach article

Перевод: Надежда Волкова. Преподавание вязкости можно подсластить при помощи шоколада.

Права на изображение
принадлежат serg_dibrova

Шоколад – один из немногих продуктов, который остается твёрдым при комнатной температуре, но легко тает при температуре тела. Этим свойством он обязан маслу какао, жировому веществу, получаемому из семян какао и которое остается твердым при 25 °C, но становится жидким при 37 °C.

Тысячи детей по всему миру могут подтвердить, что качество шоколада – это очень важный вопрос. Когда шоколад находится в жидком состоянии, его качество определяют в основном по вязкости. В этой статье мы описываем придуманный нашими учениками метод для измерения вязкости шоколада с использованием вискозиметра, который можно собрать из простых и легкодоступных материалов.

После сборки аппарата, которая займёт 2-3 часа, вы можете использовать его для измерения вязкости воды, сиропа, мёда и шоколада, и сравнить полученные значения с табличными.

Вязкость

Вязкость жидкостей и газов определяется как сопротивление материала при деформации под давлением, которое создаётся трением между частицами вещества. Чем толще материал, тем больше вязкость. Согласно закону Пуазейля, коэффициент вязкости жидкости, вытекающей из помпы (то есть при ламинарном течении жидкости, а не турбулентном, см. Изображение 1), рассчитывается по следующей формуле:

n = πr4ρt / 8V

где:

n – коэффициент вязкости

r – радиус отверстия

ρ – удельный вес жидкости, ρ=dg, d – плотность жидкости (d = m / V), и g – ускорение свободного падения (9.8 м/с2)

t – время, необходимое жидкости для того, чтобы полностью вытечь из помпы

V – объём жидкости (в нашем эксперименте мы использовали по 60 мл всех жидкостей).

Вязкость измеряется при помощи специального инструмента – вискозиметра. Международная единица измерения вязкости – Пуазейль (Pl), эквивалент Паскаля в секунду, 1 Па с = 1 Н с / м2 = 1 кг / (м с). В системе СИ используют единицу измерения, называемую пуаз (П), 1 П = 0.1 Па с.

Изображение 1: Турбулентный (А) и ламинарный (В) потоки

Как собрать вискозиметр

Нижеописанный эксперимент позволяет сконструировать вискозиметр, используя способ, который мы придумали с нашими учениками. Основную идею предложили ученики, спросившие, как можно было бы построить вискозиметр из подручных материалов, исходя из закона Пуазейля. Искомое устройство должно давать возможность измерять вязкость при разных температурах. Мы решили сделать нечто вроде воронки, поскольку тёмный цвет шоколада делает измерения методом падающего шарика – когда измеряется время, за которое шарик заданного объёма пройдет сквозь жидкость – совершенно бессмысленными.

Изображение 2: Схема
эксперимента,
показывающая термометр в
ванне с водой (А), термометр
в помпе (В), и изоляцию при
помощи пенопласта (С).

Материалы

  • Помпа или шприц объёмом 60 мл с носиком длиной 2.5 см
  • Пустая бутылка из-под шампуня диаметром 7 см и длиной больше чем шприц
  • Водонепроницаемый материал, например, пенопласт
  • Самоклеющаяся фольга
  • Два термометра, способные измерять температуру от 0 до 100 °C
  • Конструкция, способная удерживать аппарат над мензуркой / склянкой для сбора вещества. Это может быть какая-то рамка, придуманная и собранная учениками, например, из подставок и скрепок, или просто две стопки книг.
  • Нож для бумаги или ножницы
  • Скотч
  • Мензурка / склянка со шкалой для измерения объёма
  • Чашечные весы с чувствительностью точнее 0.1 г
  • Пластилин или глина для лепки
  • Линейка или штагенциркуль

Указания

  1. Измерить внутренний диаметр носика шприца, используя штангенциркуль или линейку (или аннотацию производителя).
  2. Снять крышку с бутылки из-под шампуня.
  3. При помощи ножниц или ножа для бумаги избавиться от днища бутылки.
  4. Перевернуть бутылку горлышком вниз.
  5. Вставить шприц носиком вниз в бутылку.
  6. Зафиксировать носик шприца в пространстве между шприцом и бутылкой при помощи пластилина.
  7. Вырезать из пенопласта три куска с измерениями 30 см x 30 см x 5 см.
  8. Сложить грани этих кусков вместе, чтобы получить трубку с треугольным сечением, и соединить скотчем.
  9. Поместить конструкцию из шприца и бутылки из-под шампуня внутрь этой изолирующей трубки.
  10. Завернуть конструкцию в фольгу.
  11. Вырезать маленький кусочек пенопласта и заткнуть конструкцию сверху, сделав две дырочки под термометры так, чтобы один термометр попадал в шприц, а второй – между ней и стенкой бутылки.
  12. Вставить термометры в отверстия в пенопласте (изображение 2).
  13. Затем надо поместить получившееся устройство на подставку таким образом, чтобы носик шприца смотрел вертикально вниз.
  14. Поместить мензурку / склянку на чашечные весы и установить равновесие на нуле.
  15. Поместить весы под устройство так, чтобы носик шприца был направлен в мензурку / склянку.

Используя вискозиметр

Изображение 3. Реальное
устройство

Сам процесс сборки вискозиметра уже является ценным экспериментальным опытом для учеников. Далее ученики познакомятся с важными исследовательскими вопросами, размышляя о роли водяной бани и необходимости двух термометров для точного определения момента, когда достигается тепловое равновесие между изучаемой жидкостью и водой снаружи.

Материалы

  • Вискозиметр (схема сборки описана выше)
  • Еще один шприц объёмом 60 мл с носиком длиной 2.5 см (точно такой же, как и для вискозиметра)
  • Чашечные весы
  • Вода (достаточно, чтобы заполнить бутылку из-под шампуня)
  • Чайник или иной нагреватель воды
  • Стеклянные склянки (по одной для каждой изучаемой жидкости)
  • Секундомер или смартфон с таймером
  • Различные жидкости для изучения; например, вода, мёд, сироп, молочный и горький шоколад. Не стоит проводить эксперименты с белым шоколадом, так как эмульсификаторы могут образовать пробку, которая не даст жидкому шоколаду течь.

Указания

  1. Нагрейте воду и налейте в бутылку из-под шампуня.
  2. Взвесьте пустой второй шприц на чашечных весах.
  3. Нагрейте изучаемую жидкость.
  4. Налейте 60 мл горячей жидкости во второй шприц.
  5. Взвесьте полный шприц.
  6. Вычтите вес пустого шприца из полного веса, чтобы определить массу жидкости. Зная объём жидкости, оцените её плотность по формуле d = m / V.
  7. Используя плотность жидкости, рассчитайте удельный вес жидкости, ρ.
  8. Проверив, что шприц закреплён внутри вискозиметра, поместите нагретую жидкость в этот шприц.
  9. Поместите пенопластовую трубку сверху на вискозиметр и подождите, пока температуры водяной бани и нагретой жидкости не сравняются.
  10. Вытащите пластилин из носика шприца, чтобы жидкость начала течь. Включите секундомер.
  11. Жидкость должна протечь в склянку под шприцом, тогда весы покажут массу вытекшей жидкости.
  12. Наблюдая за весами, определите, когда вся жидкость покинет вискозиметр. Остановите таймер.
  13. Запишите время истечения жидкости из вискозиметра.
  14. Теперь коэффициент вязкости можно измерить при помощи закона Пуазейля.

Экспериментальные измерения и вычисления

Эксперимент 1

Ученики могут измерить значения коэффициента вязкости для разных материалов при разных температурах (20 °C и 80 °C), и затем расставить жидкости в порядке увеличения вязкости. Вы можете обсудить возможные причины различий между значениями коэффициента вязкости для разных жидкостей.

Результаты наших учеников представлены в изображениях 4 и 5, а также таблицах 1 и 2.

Изображение 4: Вязкость различных веществ при 20 °C
Изображение 5: Вязкость различных веществ при 80 °C
Таблица 1: Вязкость различных веществ при 20 °C

Вещество Время течения t (сек) Вязкость n (Па сек)
Вода 4.2 0.07
Обычный сироп 6.3 0.5
Карамельный сироп 23.5 1.9
Мёд 32.5 2.5
Таблица 2: Вязкость различных веществ при 80 °C

Вещество Время течения t (сек) Вязкость n (Па сек)
Вода 2.3 0.05
Мёд 4.5 0.3
Молочный шоколад 38.0 2.3
Тёмный шоколад 43.0 2.8

Эксперимент 2

Попросите ваших учеников измерить значения коэффициента вязкости для шоколада, мёда и воды при пяти или более разных температурах, чтобы изучить изменение вязкости в зависимости от температуры.

Время прохождения сквозь вискозиметр при разных температурах для воды, мёда и шоколада, а также значения вязкости для этих веществ показаны в таблицах 3, 4 и 5, соответственно. На изображении 6 показаны изменения вязкости как функция от температуры для разных жидкостей.

Изображение 6: Зависимость вязкости от температуры для тёмного шоколада, мёда и воды
Таблица 3: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для воды

Температура Θ (°C) Время течения t (сек) Вязкость n (Па сек)
30 4.207 0.07
40 3.92 0.06
50 3.5 0.06
60 3.05 0.05
70 2.73 0.04
80 2.3 0.04
Таблица 4: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для мёда

Температура Θ (°C) Время течения t (сек) Вязкость n (Па сек)
35 30 2.3
45 24.38 1.9
50 17.5 1.3
55 15.5 1.2
60 7.1 0.5
Таблица 5: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для шоколада

Температура Θ (°C) Время течения t (сек) Вязкость n (Па сек)
40 800 52.6
50 660 43.4
60 590 38.8
70 480 31.6
80 43 2.8

Дополнительные вопросы

Чтобы дополнить занятие, вы можете задать ученикам следующие вопросы:

  1. Каков разброс значений коэффициента вязкости для разных веществ при 20 °C и 80 °C? Почему тёмный шоколад демонстрирует более высокую вязкость, чем остальные жидкости?
  2. Какие выводы вы можете сделать о зависимости вязкости от температуры?
  3. Выше ли вязкость мёда и шоколада при 80 °C? Попробуйте подкрепить свой ответ аргументами из литературы.
  4. Соответствуют ли значения вязкости, которые вы измерили для воды, мёда и шоколада, табличным? Если нет, можете ли вы объяснить, почему?

Вязкость шоколада

Расплавленный шоколад представляет собой плотную смесь сахарозы, покрытой фосфолипидами, и частиц какао в жидком жире. Из-за этого вязкость шоколада находится в сложной зависимости от изменения скорости течения, такие жидкости называются неньютоновскими. Необходимо приложить определённую силу, чтобы шоколад начал течь; когда шоколад уже течёт, с увеличением этой силы его вязкость понижается.

По существу, течение шоколада описывается двумя параметрами. Первый – это предел эластичности, сила, которая необходима, чтобы заставить шоколад течь. Второй параметр называется пластическая вязкость и связан с энергией, которая требуется шоколаду, чтобы продолжать двигаться с постоянной скоростью (Beckett, 2000).

Принципы течения шоколада интересны не только для школьников, но и, конечно же, для производителей шоколада.

Благодарности

Мы выражаем нашу глубочайшую признательность нашим ученикам Зои Эфтимиаду, Виктории Келанастаси и Аггелики Косма за их добросовестность, блестящие идеи и упорную работу.

Мы так же передаем благодарность профессорам К.Г. Эфтимиадис, Х. Полатоглу и К. Мелидис с факультета физики Университета Аристотеля в Тессалониках (Греция) за их полезные предложения.

Наконец, мы выражаем нашу глубочайшую признательность господину Н. Куриакидесу, отцу одного из учеников, который взял на себя конструирование металлической базы для нашего самодельного вискозиметра.

Download

Download this article as a PDF

References

Author(s)

Доктор Клэр Ахиллеос – преподаватель естественных наук в 1-ом Показательном Лицее «Манолис Андроникос» в Тессалониках (Греция). Доктор Стилианос Фрилигкос, директор той же школы, также специализируется на преподавании естественных наук.

1-ый Показательный Лицей «Манолис Андроникос» в Тессалониках принадлежит к особому классу греческих школ, называемых показательными (или экспериментальными) школами. Особая миссия этих школ, экипированных высококвалифицированными профессионалами, состоит в том, чтобы создавать и применять инновационные образовательные программы, и проводить исследования в области педагогики в тесном сотрудничестве с университетами.

К примеру, учителя естественных наук в этой школе четыре года подряд организовывали соревнование по Креативным Научным Экспериментам для учеников старшей школы в Центральной Македонии. В рамках соревнования школьники представляли эксперименты, которые можно было провести при помощи базовых подручных материалов, и которые должны были развивать изобретательность и воображение. Более того, доктор Фрилигкос в течение двух лет работал в качестве Национального Координатора от Греции в программе NANOPINION Евросоюза, привнося в школьное образование необходимую движущую силу и опыт.


Review

Преподаватели естественных наук всегда ищут новые и креативные способы вовлечь учеников в процесс изучения окружающего мира. В данном случае, это мир вкусной еды. Использование всеми любимой еды – шоколада и мёда – для изучения физики очень интересно. Этот эксперимент также тренирует изобретательность и находчивость учеников, так как они должны соорудить оборудование самостоятельно.

Еда – это тема, которая традиционно стоит где-то между домашней экономикой, биологией, химией и физикой, поэтому эта статья может дать учителям идеи для соединения этих областей. Такие предметы, как труд и рисование, могут быть также вовлечены в конструирование оборудования.


Доктор Ингела Бурсйоё, Школа Йоханнеберга и Университет Гётеборга, Швеция




License

CC-BY