ダイラタンシー 流体。 ダイラタンシー

【ダイラタンシー】片栗粉と水で簡単実験!

ダイラタンシー 流体

1.ダイラタンシーの作り方 今回の実験で準備したものはたったの2つ。 ・片栗粉 ・水 のみです。 そして、作り方もとても簡単! 片栗粉と水を混ぜるだけ。 作る時に注意しなければいけないことは水を入れすぎないこと! 実際にお家で実験する時は少しずつ水を加えて、混ぜながら作ってください。 だいたい1袋につき200~250 mLでできると思います。 液体っぽくなってきて、ぎゅっとにぎって固まってくれたら完成です! 2.ダイラタンシーのなぜ 片栗粉と水で作った、今回の液体でも個体でもない流体のことをダイラタンシー流体と言います。 これはでんぷんの粒子が不揃いであり、そこに水が入ってくることで起こる現象。 でんぷん以外にもダイラタンシー流体になるものもあり、地面や砂浜もその一例です。 では、なぜでんぷんで作ったダイラタンシー流体はこのような性質の示すのか? ダイラタンシー流体は叩いたり、握ったりすことで表面に力がかかると、表面の粒子が密集し水分が内側に入り込んでいきます。 そのため、表面は硬くなります。 しかし、そのまま置いておくと、粒子が元の状態にもどり間に水が入り込んでいくので、流体に戻ります。 だから、叩くと硬くて、ゆっくりだと手を沈目ることができるし、握ると硬くなり、離すとどろどろになるのです。 このようなダイラタンシー流体は衝撃を吸収するので衝撃吸収材としても利用されています。 また、防弾チョッキにも応用できないかということで、研究もされているそうです。 なかなか面白い現象ですよね! 3.さいごに 動画を見ていただければお分かりいただける通り、とっても簡単でなかなか味わうことのできない感触を味わえる実験ですので、ぜひ皆様もやってみてください。 ダイラタンシーの衝撃の吸収性を確かめてみたり、色々と自由研究にも使えそうですよね。 動画でもいいましたが、私はこのダイラタンシーの上にのってみたい! 次にダイラタンシーの実験をする時はチャレンジしてみようと思います。 めちゃくちゃ片栗粉いりそうですけどね、、、 今回も見て下さってありがとうございました。 ぜひ、また見て下さるという方が居られましたら、チャンネル登録よろしくお願いいたします!.

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ダイラタンシーの自由研究 小学生でも簡単にできる作り方!

ダイラタンシー 流体

創成化学工学実験 《躍動》踊る流体 〜非ニュートン流体について〜 創成化学工学実験 7班。 指針 高専祭当日の発表におけるテーマを"流体の性質"とし、自分たちの生活に身近な各種流体の特徴の紹介と、その性質に焦点を当てた実験をする。 身近の流体でも特殊な粘性係数を有した流体は身のまわりにも多い。 このことから非ニュートン流体の性質を特に取り上げた実験とする。 流体力学(レオロジー)について レオロジーとは、物質の流動と変形を扱う科学である。 レオロジーを理解するうえで非常に重要な概念であるのが「粘度」であり、この概念に本実験の主体性がある。 そこでまず、この「粘度」について考えよう。 一般に粘度とは、流体(液体)の流れにくさを表すものである。 粘度の高い物質は流動させるために大きな力を加える必要があり、粘度の低い物質はわずかな力で以って流動させることが可能である。 例えば、コーヒーと蜂蜜をそれぞれコップに入れて傾けたとき、コーヒーは重力により容易に流れ出すが、蜂蜜はなかなか流れ出ない。 この現象は粘度の違いから説明されるもので、この時、粘度に関して (蜂蜜)>(コーヒー)であるといえる。 他方で、蜂蜜とマーガリンではどちらの粘度が高いのであろうか。 これらをそれぞれコップに入れ傾けた場合、蜂蜜は流れ出るが、マーガリンはコップの底でその形を保持したままであり流れ出ることはない。 しかし、ナイフでトーストに塗るときは、両者おなじくらいの力で塗ることができる。 さらに、蜂蜜とマーガリンを同じ分量ずつ、それぞれボウルに入れて泡立て器でかき混ぜたとすると、マーガリンは案外小さな力でかき混ぜられるが、蜂蜜をかき混ぜるにはかなり大きな力が必要になる。 ということは、粘度に関して(蜂蜜)<(マーガリン)であり、(蜂蜜)=(マーガリン)であり、(蜂蜜)>(マーガリン)でもある。 これはなぜかというと、マーガリンはかける力によって粘度が変化しているからである。 流体力学(Rheology)では、コーヒーや蜂蜜のように、与える力によって粘度のかわらない物を「ニュートン流体」といい、マーガリンのように加える力によって粘度が変わるものを「非ニュートン流体」といい、区別している。 非ニュートン流体の具体的な例としてはケチャップ、マヨネーズ、ヨーグルトなどが挙げられる。 非ニュートン流体について 液相の純物質は、たいていニュートン流体(粘性流体)であると考えて問題はない。 しかし、混合された流体、すなわち二種以上の物質の混合物はほとんどが非ニュートン流体である。 非ニュートン流体とひとくくりの言葉で言えど、そのうちいくつかに分類できる。 力の掛け方によって粘度があがるもの、下がるもの、時間経過で粘度が変化するものなどいくつかある。 (おおよそ三種に分類され、またこれとは別にチキソトロピーとレオペクシーという二つの分類もある。 ビンガム流体(塑性流体) バターやマーガリンはナイフで力を加えるとトーストに容易に塗ることができるが、ある程度の力を加えなければ動き出すことはない。 擬塑性流体 降伏値は持たないが、力を加えることにより粘度が低下するものを「擬塑性流体」と言う。 力を加えるまでは高い粘度を示すため、あたかもビンガム流体(塑性流体)のような振る舞いをする。 これが所以で「擬・塑性流体」と呼ばれるのである。 身近な例でいえばトマトケチャップやマヨネーズ、タルタルソース、歯磨き粉等チューブに入った食品や薬品類などの流体の多くはこれに該当する。 ダイラタント流体 これは擬塑性流体とは逆に、力を加えることにより、粘度が上がる流体の事を言う。 現象としては、緩やかに傾けると静かに水の様に流れるが、棒でかき混ぜたり、何らかの流体に対する応力を加えると、固化したように締め固まり流れにくくなる。 これは擬塑性流体とは逆に、力を加えることにより、粘度が上がる流体の事を言う。 現象としては、緩やかに傾けると静かに水の様に流れるが、棒でかき混ぜたり、何らかの流体に対する応力を加えると、固化したように締め固まり流れにくくなる。 チキソトロピー チキソトロピーとは、かき混ぜたり、振り混ぜたりすることにより、力を加えることで、粘度が下がる現象のことを言うが、擬塑性流体との違いを理解する必要がある。 かき混ぜることによって、粘度が低下するという現象の点では擬塑性流体もチキソトロピーも同様であるが、これら二つの大きな違いは、与えた力のみならず、時間経過に伴い粘度が変化するという点である。 チキソトロピーを示す流体は、一定の力を掛け続けることで粘度が下がり、その後放置するとその放置した時間にしたがって下がった粘度が元に戻る。 つまり加えられた力積に比例した粘度変化があるのである。 身近な所でチキソトロピーの性質を利用している物は、ペンキなどの塗料である。 ペンキはかき混ぜることで粘度が下がって塗りやすい状態となり、刷毛やローラーで壁に簡単に塗ることができる。 ペンキを塗る前によくかき混ぜるというのは、単に色ムラをなくすだけでなくこのチキソ性を十分に引き出す作業でもある。 さらに、塗布されたペンキは直後に粘度が上がり、垂れない状態となって乾燥する。 これもチキソトロピーの性質であって、 「塗りやすく、垂れにくい」という理想のペンキ材は、チキソトロピーをうまく利用しているといえる。 レオペクシー これの定義は二つ存在し、教科書や業界によってその定義がそれぞれで異なっている。 :力を加えたことで、粘度が下がってしまったチキソトロピーを示す流体に、緩やかな振動を与えるとそのまま放置しておくよりも粘度が上昇すること。 :逆チキソトロピーとも呼ばれる現象であり、流体に力を加え続けたとき、時間の経過と共に粘度が増加していく現象のこと。 どちらの立場を採用するにしても、振動などで力を加えるとより粘度が上がるという点では同じである。 但し、一つ目の定義では、チキソトロピーの中に含まれる現象であるのに対し、二つ目の定義ではチキソトロピーと相反する現象であり、内容が異なっている。 しかも身近にレオペクシーを示す具体的な例がない。 ダイラタント流体 ダイラタンシー現象の発見者は英国の物理学者オズボーン・レイノルズで、このためダイラタント流体はレイノルズ流体ともいい、ダイラタンシーを「レイノルズ」と呼称することがある。 詳しくは次の実験の原理に示す。 実験の原理 今回の実験で取り上げたダイラタント流体は、一般的に液相物質と固相粉末粒子の混合物である。 静止状態にあるこの混合物は、通常流体内の固相粒子が最密充填構造で配置されている。 この状態は、最密充填構造なので単位体積当たりの重量が最大で、全体としての体積が最小となる状態である。 これが流動化し外力が加えられることで、圧縮され混合物中粒子の配置が最密充填構造と異なる体積が増化するような配置へと構造が遷移するのである。 しかし、この構造の遷移と言うのは、更に大きな外力が働いた事に起因した強制的な構造の変化であって、ゆえにこの無理な変化に応答する強い抵抗が混合物中に発生する。 この強い抵抗は力として、すなわちその体積変化に抵抗する力として生じる。 (ダイラタンシー) 外力と拮抗する混合物内部の抵抗力(体積変化・膨張に伴う力)が生じると、混合物全体として、固体のような抵抗を示す状態へ移行する。 このとき、外力を加えるのを止めることで外力に対する反作用である抵抗力がともに働かなくなるので、もとの流動化状態に戻る。 実験について• 初期計画 計画を班員で出し合い、当初の段階として以下のような事項を意図していた。 ダイラタンシーの性質を十分に理解できる実験を行う。 その性質を実感できる実験、その性質を十分発揮した実験を行いたい。 できればあらゆる条件を変えてその性質を考察したい。 その他の非ニュートン流体の性質を取り上げた実験もできたら行いたい。 予備実験・計画を受けて 計画を受けて、具体的には次のような実験を行うことにした。 スピーカーによって低周波数の振動を発生させ、その振動を外力としスピーカーのうえにダイラタント流体を載せてその挙動について調べるというものである。 そこでまず、実際にダイラタント流体を作り手動の外力による挙動や液組成の違いによる挙動の変化を調べた。 次に実際にスピーカーの上でダイラタント流体を振動させ、その挙動について実験してみた。 具体的な実験手順 スピーカを用いた実験では、まず片栗粉を水に、重量比おおよそ1:1でまぜる。 全体が均質に混ぜ合わさるように十分かき混ぜる。 (かき混ぜる時抵抗力を感じる)次にスピーカの上にラップなどを敷く。 この上に作った流体を流し、オシレーターから低周波数振動でスピーカーを振動させる。 実際の実験について 予備実験の段階のダイラタント流体を作る工程で、あらゆる組成を考えたり実験したが、思ったよりこの工程で時間を食ってしまっていた。 そのことに後で気づいたが、これが原因して実際の実験では多くの実験はできなかった。 実際に行った実験は、おもにスピーカーを用いた実験である。 その分、解説を充実させるよう努めた。 結果 当初は1gずつ組成を変えて実験したが、その組成の違いによる挙動の変化を数値的に得る手段を持ち合わせなかったので、挙動の変化を知る手段は目視に頼らざるを得なかった。 このため、変化の違いが目視で判別できる程度に、液の組成の水を多めにしたパターンと、1:1混合のパターン、固相粒子を多めにしたパターンを用意した。 周波数はおおよそ40Hzを基準に振動させたが、20Hzから70Hzまで変化させた過程で周波数の違いによる、挙動の変化はほとんど見られなかった。 しかし、振幅を変えると挙動は大いに変化した。 振幅の変化も数値的に得ることはできなかったが、振幅を最小から最大までの間でおおよそ三段階に分けて変化させた。 どの組成の液でも最大振幅の振動を与えると激しく振動し跳ねあがり周りに飛び散るだけであった。 水多めのパターンは、小〜中の振幅の振動では液面が細かく振動し、延いてはダイラタンシーの性質を見ることはできなかった。 1:1混合は中程度の振幅の振動を与えると若干ダイラタンシーの性質を示したが、液面の挙動が水多めのパターンに近いもので、はなはだしく盛り上がるなどの挙動を見ることはできなかった。 固相粒子多めのパターンでは、振動を加えた直後から、ダイラタンシーの性質を顕し、液面はほとんど振動せず、まとまって隆起しくねくね動いた。 考察 周波数の違いに挙動がほとんど依存しなかったのは次のような原因が考えられる。 考えてみれば当然のことであるが、ダイラタンシーは外部からの力の大きさによって、その挙動、つまりどの程度年度が上がるかが決まるからであると考えられる。 その点、振幅の違いから流体の挙動に変化が現れたのは、波のエネルギーが振幅の二乗に比例するため、スピーカーの振動の激しさとして振幅の違いが笑われたからだと考えられる。 感想 今回、非ニュートン流体を用いた実験を行いましたが、物理化学分野の知識が疎いこともあり、原理などを理解しやすくわかりやすくプレゼンテーションするところが難しかったです。 実際にスピーカーの振動によってダイラタンシーの挙動を見せることができたのはよかったですが、ダイラタンシーの性質を生かした応用的な実験をもう少し時間があればやりたかったです。

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ダイラタンシーとは

ダイラタンシー 流体

片栗粉を水に溶いて濃厚な混合物を作ると、 急激な変形に対しては固体的に振る舞い、 ゆっくりとした変形に対しては流動性を示す。 いわゆるダイラタント流体である。 この流体の不思議な性質は、米村でんじろう先生 1 の功績もあり、 一般に知られるようになったが、 どのようなメカニズムでこのような振る舞いが現れるかについて、 必ずしも共通の理解があるわけではない。 しかしながら、 日本語のWikipediaの「ダイラタンシー」の項目にある記述には、 明らかな間違いといくつかの混乱が見られる 2。 Wikipediaの記述を正そうと思ったが、 Wikipediaがどのような仕組みで運営されているのか充分理解していないので、 まず、自分のサイトにダイラタント流体についてまとめてみて、その後に、 可能であればWikipediaの編集に加わることにした。 米村でんじろうのワクワク地球実験室: 2005年「地球は生きている」• Wikipedia: レイノルズ Reynolds によって見出された、 粉体媒質の振る舞いに関する原理 1。 密に充填された粉粒体媒質を変形すると、 粒子間の空隙が増して媒質全体の体積が膨張すること。 逆に、体積が膨張できないような状況では、 粉粒体媒質は変形できず固体のように振る舞う。 例えば、砂浜の波打ち際などを歩いていると、 踏みつけられた砂地の周辺が乾いて見えることがある。 それは、踏まれた砂地の内部で、 変形にともない砂粒の間の空隙が大きくなり、 水がそこに吸収された結果、表面が乾くのである。 コーヒー豆の真空パックなどが、 開封後はフニャフニャして自由に変形できるのに、 密閉状態では剛体のように振る舞うのも、 粉体媒質の膨張の原理で理解できる。 即ち、 変形する為には体積が増えなければならないので、 パッケージの中が減圧されていると、 体積を増やす為に大気圧に抗して大きな仕事をする必要があり、 容易に変形できない。 "On the dilatancy of media composed of rigid particles in contact. With experimental illustrations" ダイラタント流体 dilatant fluid 非ニュートン流体の一種で、ずり速度とともに粘度が大きくなるもの。 外力により変形を受けると固化する様子が、 上記のレイノルズの膨張の原理に従う粉体媒質の振る舞いに似ていることから、 ダイラタント流体と呼ばれるようになった 1。 最も身近で典型的な例は、片栗粉と水の濃厚な混合物。 数ミクロン程度の粒径の揃った粉粒体と液体の混合物は、 しばしば急激な変形に対して粘度が不連続に増加する 2。 即ち、ゆっくりと外力を加えた場合には、 液体が粉粒体粒子の間の潤滑剤として働き、混合物は流体のように振る舞うが、 急に加えられた外力に対しては非常に大きな抵抗を示し、固体のように振る舞う。 ダイラタント流体のこの性質と、 レイノルズの膨張原理 dilatancy principle との関連は明らかではないが、 片栗粉と水の混合物中で急激に棒を動かした際に、表面が乾いて固化するのは、 レイノルズの膨張原理で説明されている 3。 即ち、変形にともない粉粒体の体積が膨張し、 それによってできた媒質内部の空隙に水が吸収されて、表面が乾く。 その結果、水の表面が粒径程度の曲率半径を持ち、 表面張力によって媒質に大きな負の内圧がかかる 4。 その負力の為、粒子が互いに押しつけられ、 その結果組まれた粉体粒子のアーチ構造で大きな負圧を支える為に、 媒質が固化するのである。 ネット上では、 「外力により粉体粒子が最密充填され、その結果固化する」といった記述が、 しばしば見られる。 しかし、外力によって粉粒体の充填密度が増加するというのは レイノルズの膨張の原理に反し、根拠に乏しい。 上で与えた通常の説明はその逆である。 即ち、あらかじめ最密充填に近い状態にある粉体媒質が、 外力による変形で空隙が増して膨張し、その結果、固化するというものである。 "Thixotropy, influenced by the orientation of anisometric particles in sols and suspensions" 2. "Shear Thickening of Cornstarch Suspensions as a Reentrant Jamming Transition" 3. "Dilatancy, jamming, and the physics of granulation" 4 曲率半径が10ミクロン程度の水の表面が与える負圧は0. 1気圧程度。 shear thickening, jamming コロイド分散系におけるずり粘化 shear thickening コロイド分散系とダイラタント流体は、どちらも微小な固体粒子を液体 に分散させた系である点が似ている。 両者の大きな違いは、熱揺らぎに起因す る粒子のブラウン運動が無視できるかどうかにある。 濃厚なコロイド分散系は、通常、ずり流とともに粘性が小さくなるずり薄化 shear thinning を示すが、 更に大きなずり流の下では急激なずり粘化を示すことがある。 コロイド分散系のずり薄化は、 静止状態ではブラウン運動の為に乱雑に配置していたコロイド粒子が、 ずり流とともに流れに沿って層状に整列し、 その為にずり抵抗が小さくなると理解されている。 更に大きなずり流の下では、この層構造が液体の流れの為に壊され 再びずり抵抗が大きくなるというのが、 コロイド分散系でのずり粘化の伝統的な説明であった 1-4。 このような整列状態や それから無秩序状態への遷移が見られる場合があるものの 1,5 、 整列状態が現れない場合や、 不連続なずり粘化転移の前後で粒子の配位の明確な変化がない例 6,7,9 が いくつも報告されていることから、疑問視された。 これに対して、数値シミュレーションで見出された 高ずり流での粒子クラスターがずり粘化の原因であるとする説が現れた 8-10。 粒子クラスターによるずり粘化の説明は以下のようなものである。 ずり流の下で圧縮方向に高密度な粒子クラスターが形成され、 ずり流とともに生成と崩壊を繰り返す。 特に、一度近づいた2つの粒子が、粒子間の流体力学的な相互作用の結果、 ずり流に乗った近接粒子がすれ違う時間よりも ゆっくりとしか離れられない場合には、このクラスターは大きく成長する。 このようなクラスター内の粒子同士はほとんど接触するほど近接しており、 その結果、粒子間に働く潤滑力 lubrication force が支配的となって、 それによる散逸がずり粘化を引き起こすというのである。 中性子の小角散乱実験でクラスター生成と矛盾しない結果が得られたり 9 、 また、流れ場の方向に配向した棒状の粒子系でも 球状粒子系と同様の不連続なずり粘化が生じるにもかかわらず、 不連続粘化の前後で棒状粒子の配向に特段の変化が見られないことなどから 11 、 現在では、 上のような流体力学的メカニズムによるクラスター生成が ずり粘化の原因であるという説が有力である。 最近になって、 数値シミュレーションで見られたようなクラスター 8 が実際に観測されたという 報告も現れた 12。 一方、 通常のコロイド粒子よりも大きな粒子からなるダイラタント流体の激しいずり粘化は、 コロイド分散系とは異なり、 接触する粒子間の相互作用が重要な役割を果たしていると考えられている。 "Discontinuous and Dilatant Viscosity Behavior in Concentrated Suspensions I. Observation of a Flow instability" 2 "Discontinuous and Dilatant Viscosity Behavior in Concentrated Suspensions II. Theory and Experimental Tests" 3. "Explanations for the cause of shear thickening in concentrated colloidal suspensions" 4. "Shear-Thickening "Dilatancy" in Suspensions of Nonaggregating Solid Particles Dispersed in Newtonian Liquids" 5. "Nonequilibrium behavior of dense suspensions of uniform particles: Volume fraction and size dependence of rheology and microstructure" 6. "Rheological and small angle neutron scattering investigation of shear-induced particle structures of concentrated polymer dispersions submitted to plane Poiseuille and Couette flow" 7. "Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition" 8. "The rheology of concentrated suspensions of spheres in simple shear flow by numerical simulation" 9 , "Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions" 10. "The rheology and microstructure of acicular precipitated calcium carbonate colloidal suspensions through the shear thickening transition" 12. "Imaging the Microscopic Structure of Shear Thinning and Thickening Colloidal Suspensions" ダイラタント流体と粘弾性体との違い チューインガムのような高分子の溶融体なども、 急激な変形に対しては固体の弾性体として振る舞い、 ゆっくりとした変形に対しては流動性を示す。 短い時間は固体、 長い時間では液体として振る舞う点はダイラタント流体と似ているが、 こちらは粘弾性体と呼ばれている。 粘弾性体とダイラタント流体の振る舞いの最も大きな違いは、 急激な外力に対して、 粘弾性体はゴムのように大変形をするのに、 ダイラタント流体はほとんど変形を許さず、 限界を超えると脆性破壊してき裂を生じる点であろう。 また、ダイラタント流体は外力を除くと直ちに流動化するのに対して、 高分子溶融体が流体として振る舞うのは、 通常、数分以上の長い時間スケールに対してである。

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