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不可思议的非牛顿流体

国内某亲子节目中,节目组导演给小朋友们出了一个难题:如何用口香糖砸开椰子?只见小朋友们把口香糖捏成尖锥体,用力将椰子快速砸向口香糖,椰子便被砸开了。看到这一幕,你一定觉得节目组是为了节目效果而做的虚假实验。其实这是利用了非牛顿流体特性的实验。读完这篇文章之后,你会豁然开朗,甚至可能会迫不及待地想动手做这个实验呢。

牛顿流体VS非牛顿流体

想要了解非牛顿流体,首先我们得先知道流体是什么。流体是与固体相对应的物体形态,是液体和气体的总称,它的基本特征是没有一定形状和具有流动性。其流动行为由粘度决定,粘度越低越容易流动。

根据粘度特性,流体可以分为两种基本类型:牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体的粘度主要和温度有关,与施加的压力无关,在受到拍打或撞击时,其粘度不会发生改变,水、酒精等大多数纯液体、轻质油等均为牛顿流体。而非牛顿流体在受到某种力的时候,比如击打、撞击或者踩踏时,其粘度会发生改变,或是粘度降低变得更加容易流动,或是粘度增加变得像固体一样坚硬。高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体,比如番茄酱、蜂蜜。

说到这或许你仍然觉得有点困惑,难以区分两者的差别。想象一下,用脚踩踏水盆中的水,你不会感觉到水忽然变得像固体一样,它始终是那个温柔的水,这就是牛顿流体。而非牛顿流体在受到某种力时会改变其粘度或流动行为。比如你用水和淀粉按照一定比例混合之后,就会形成非牛顿流体。用手搅拌它是液体,用拳头敲打却又像是固体!如果整个游泳池都是这种非牛顿流体,可能真可以实现“水上漂”呢!

非牛顿流体的类型

非牛顿流体可以分为非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。前者粘度和施加压力的大小有关,后者和施加压力的时间有关。

非时变性非牛顿流体,又分为假塑性流体和胀塑性流体。

假塑性流体的粘度随着施加压力的增加而降低。比如番茄酱。如果说你想从瓶子里取出番茄酱,却发现不容易直接倒出来。这时你会怎么做?你会摇晃或者击打瓶子。这样会使番茄酱的粘度降低,更容易流动,所以就更容易倒出来了。

胀塑性流体的粘度随着施加压力的增加而增加。比如“欧不裂”——这是玉米粉和水的混合物,类似于未煮熟的蛋奶冻。它本来是一种流动的粘液,一旦突然受到压力,会变得像固体一样坚固。比如你用锤子击打,它不会到处乱溅,而是会变得更加牢固。如果你把它放在手中滚动,会滚成一个坚硬的球,而一旦你停止滚动,它立即又会变成流动的液体,从你的指尖滑出。在这种情况下,这种物质的粘度或流动阻力会随着施加压力的增加而增加。

而时变性非牛顿流体,可以分为触变性流体和流凝性流体。触变性流体,施加压力时间越长粘度越低。比如蜂蜜,不断搅拌会使蜂蜜变得越来越顺滑。流凝性流体则相反,施加压力时间越长粘度越高。比如奶油,越打越稠。

了解非牛顿流体有什么用?

了解非牛顿流体,我们便可以明白,生活中许多看起来不可思议的现象都可以用科学解释。比如为什么口香糖能砸开椰子?为什么在沼泽中越挣扎陷得越深?因为口香糖是一种非牛顿流体,当突然受到较大的压力时,尖锥体的口香糖会变得像固体一样坚硬,便能砸开椰子。而沼泽也算是非牛顿流体,越搅拌越稀,就容易陷进去。

我们可以利用非牛顿流体的特性避免一些问题。比如说我们可以避免把房屋建在某些类型的黏土上。因为地震会对这种黏土施加压力,那么可能这些原本看似坚固的黏土在压力作用下粘度降低,变成流动的液体,如果房屋建在这种黏土之上,那将会有巨大的安全隐患。

同时,我们也可以利用这种流体的特性,不断改进产品。比如科学家正在研究用非牛顿流体制造高性能填充物,用于液体防弹衣中,显然这种新产品可能会更好地减轻负重和增加安全性能。

生活不缺少美,只是缺少发现美的眼睛。留心生活中有趣的现象,学会探索、发现,你可能就是下一个科学家。

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