Введение
Кровеносная система нашего организма, действительно чудо. Громадное количество сосудов, артерий, вен, капилляров и это далеко не весь список того, что входит в ее состав. По сути, это транспортная система организма, которая переносит огромное число гормонов, доставляет питательные вещества к каждой из миллиардов клеток, организует систему защиты от возбудителей разных болезней, регулирует температуру тела и многое другое. Мягкая и гибкая система сосудов вместе с телом сгибается, двигается, амортизирует удары. В течение всей жизни человека она ни на секунду не останавливает своей уникальной работы.
С точки зрения физики система кровообращения представляет собой сложную гидродинамическую систему. Гемодинамика — раздел науки, изучающий механизмы движения крови в сердечнососудистой системе. Он является частью гидродинамики раздела физики, изучающего движение жидкостей. В свою очередь реология является подразделом гемодинамики: реология — это учение о текучести материалов. Текучесть жидкости измеряется вязкостью.
Все мы знаем, что кровь является жидкостью, однако не всем известна такая классификация жидкостей, как ньютоновские и неньютоновские. Цельная кровь (суспензия эритроцитов в белковом растворе - плазме) является неньютоновской жидкостью.
Актуальность исследования заключается в том, что неньютоновские жидкости находятся не только вокруг нас, но и внутри нас, а мы о них ничего не знаем.
Цель моей работы: изучить реологическое свойство крови – вязкость, и выяснить каково влияние показателя относительной вязкости крови на здоровье человека, а так же изучить экспериментальные методы определения вязкости жидкостей.
Гипотеза: Я предполагаю, что кровь, являясь неньютоновской жидкостью, будет обладать «особыми» физическими свойствами и если знать об этих свойствах, а так же понимать суть явления вязкости, то можно предотвратить ряд проблем со здоровьем.
Задачи:
1. На основе анализа источников информации определить понятие и классификацию веществ в жидком агрегатном состоянии;
2. Изучить явление внутреннего трения жидкости и методы его определения;
3. Выяснить каково влияние вязкости крови на организм человека;
4. Провести экспериментальную работу по выявлению свойств неньютоновских жидкостей.
Глава 1. Кровь – неньютоновская жидкость
Жидкое агрегатное состояние.
Первое с чем необходимо определиться – что же такое жидкость, и какими свойствами она обладает.
Итак, жидкостью называют агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе признаки как твердого, так и газообразного состояния. Т.е. жидкость является некоторой переходной формой от твердого состояния вещества к газообразному. При этом она обладает рядом свойств, не присущих другим агрегатным состояниям.
Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием, практически сохраняя при этом объём.
Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).
| Рисунок 1. Расположение молекул |
Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений (рис. 1). Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.
Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние(происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние — стекло), выше — в газообразное (происходит испарение).
В гидродинамике жидкости принято классифицировать следующим образом – ньтоновские и неньютоновские.
Ньютоновская жидкость
Ньютоновская жидкость (названая так в честь Исаака Ньютона)– это любая жидкость, течение которой происходит согласно закону вязкого трения Ньютона. Согласно этому закону, жидкость будет продолжать обладать текучими свойствами в независимости от того, какие силы действуют на него.
Примеров уже готовых ньютоновских жидкостей в быту огромное количество. Это и вода, и растительное масло, и молоко. Множество других примеров можно придумать, если даже походить по улице или квартире. Какая бы сила ни действовала на воду, масло или молоко, они все равно сохранят свое жидкое состояние, будь то перемешивание, переливание и иное физическое воздействие. Ньютоновская жидкость – это та жидкость, которую мы изучаем на уроках физики с 7 класса. Другое дело – это неньютоновские жидкости. Выясним, в чем заключается их особенность и отличие от ньютоновских жидкостей.
Неньютоновская жидкость
Обычные жидкости растекаются, переливаются, отличаются легкой проницаемостью. Но существуют субстанции, способные занимать вертикальное положение и даже выдерживать вес человека. Именуются они неньютоновскими жидкостями.
Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от величины, называемой градиентом скорости.
Существуют эмульсии, вязкость коих переменчива и зависима от скорости деформации. Суспензий со свойствами, противоречащими законам гидравлики, разработано много. Их использование получило широкое распространение в химической, перерабатывающей, нефтяной и прочих отраслях современной промышленности.
К числу неньютоновских жидкостей можно отнести зубную пасту, жидкое мыло, краски, зыбучие пески, кровь и пр. Обычно эти смеси неоднородны. В их составе содержатся крупные молекулы, способные образовывать 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 её вязкость.
Внутреннее трение – вязкость
Понятие вязкости
Вязкость или внутреннее трение – это свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Различают динамическую и кинематическую вязкость.
| Рисунок 2. Жидкость между пластинами |
Рассмотрим это явление на следующем опыте (рис.2). Поместим слой жидкости между двумя параллельными твердыми пластинами. «Нижняя» пластина закреплена. Если двигать «верхнюю» пластину с постоянной скоростью υ1, то c такой же скоростью будет двигаться самый «верхний» 1-й слой жидкости, который считаем «прилипшим» к верхней пластине. Этот слой влияет на нижележащий непосредственно под ним 2-й слой, заставляя его двигаться со скоростью υ2, причем υ2 < υ1. Каждый слой (выделим n слоев) передает движение нижележащему слою с меньшей скоростью. Слой, непосредственно «прилипший» к «нижней» пластине, остается неподвижным.
Слои взаимодействуют друг с другом: n-й слой ускоряет (п+1)-й слой, но замедляет (п-1)-й слой. Таким образом, наблюдается изменение скорости течения жидкости в направлении, перпендикулярном поверхности слоя (ось х). Такое изменение называют градиентом скорости.
Силы, действующие между слоями и направленные по касательной к поверхности слоев, называются силами внутреннего трения или вязкости.
Коэффициент вязкости обозначается в физике греческой буквой η («эта»). Единица измерения динамической вязкости в системе СИ – Па·с, а кинематической – м2/с. Величина коэффициента вязкости зависит от температуры и давления. Для вычисления динамической и кинематической вязкости используются специальные формулы, однако мы более подробно остановимся на экспериментальных способах определения вязкости, в частности нас, интересуют способы определения вязкости неньютоновских жидкостей.