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吃软不吃硬的非牛顿流体

2019-07-05

农村青少年科学探究 2019年4期
关键词:剪应变剪应力牙膏

现在去医院作血液检查的项目之一,己不再是“血黏度检查”,而是“血液流变学检查”(简称血流变),为什么会有这样的变化呢?这就要从流体及非牛顿流体谈起。

流体,是与固体相对应的一种物体形态,是液体和气体的总称。由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,它的基本特征是没有一定的形状并且具有流动性。水绝对是最常见的流体,牛顿于1687年提出,水在作一维剪切流动时,其剪应力与剪应变率成正比关系,因此这一类流体都被称为“牛顿流体”。后来发现,只有水和空气等才满足这种剪应力与剪应变率的线性关系,它们因此被称为“牛顿流体”。生活和生产中的大多数流体属于非牛顿流体,它们在作一维剪切流动时,其剪应力与剪应变率之间呈非线性关系。而非牛顿流体能给你展现水之外的别样世界,遇强则更强,子弹都没有办法把它射穿。

其实非牛顿流体广泛存在于我们的日常生活中,像血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的流体都是非牛顿流体;石油、泥浆、油漆、各种聚合物(聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶溶液等)也都是非牛顿流体。通常,这些物质也被称为软物质。

比如我们每天刷牙用的牙膏,没错就是牙膏,绝大部分人认为它是一种固体,实际上它是一种非牛顿流体。只有当你挤它的时候,牙膏才会从里面出来。试想一下,如果它是其他的流体,只要把牙膏管倒转过来,牙膏就会自动从管里流出来了。

把玉米淀粉和水按2:1的比例混合也能制作成非牛顿流体,它的黏度会因为受到压力或者是速度而变化,在黏度增加的时候还可能成为暂时性的固体。你如果把手慢慢伸进去就能轻松地穿透它,要是突然拿出来,它就会变得特别结实,一旦手离开时,它就会“融化”成液体。太白粉溶液是典型的非牛顿流体,它的主要特征是:流体的黏度会因为受到的压力或速度而变化,压力越大速度越快,黏度会增加,甚至可以成为暂时性的固体。面对一盆太白粉的水溶液,如果你将手缓慢插入其中,你的手会没入其中,当你拿出来时手上会沾满白色的太白粉溶液。可是当你用力捶打这盆太白粉非牛顿流体时,接触面因为压力大而黏度增加,它就会“变硬”。

有了非牛顿流体,不用加任何特效,就能让你实现水上漂。请注意,我们说的是流体而并非液体,是指在温度不变的情况下可以发生流动的物质,包括液体和气体。有些流体黏性非常大,这种流体在大的剪切速率作用的瞬间会变得像固体一样,坚硬、有弹性,而外力一旦撤出之后又恢复成液体的性质,这是典型的膨胀性流体的性质。像平时我们见到的泥浆、面浆就属于这种流体。有经验的人应该知道,搅拌泥浆的时候,缓慢地搅拌可以不怎么费力,可是一旦加大力气想要快速搅拌,反而越发搅不动了!其中就是这个原因。

非牛顿流体介于液体与固体之间。当表面没有压力时,非常柔软,和液体一样。而你用力击打它时,接触面会因为压力大而使得黏度增加,会开始变硬,具备一定的固体特性,所以拳头就无法进入非牛顿流体的内部,哪怕是对着它开一枪,子弹都没有办法穿透,只能留在它的“肚腹”中。英国科学家就利用非牛顿流体制作出一种液体防护衣,它比老式防弹衣舒适柔软,而且防弹性能也更加优秀,或许会成为主流运用到各个领域。

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