不可思議的非牛頓流體

楊灰灰

國(guó)內(nèi)某親子節(jié)目中，節(jié)目組導(dǎo)演給小朋友們出了一個(gè)難題：如何用口香糖砸開(kāi)椰子？只見(jiàn)小朋友們把口香糖捏成尖錐體，用力將椰子快速砸向口香糖，椰子便被砸開(kāi)了?？吹竭@一幕，你一定覺(jué)得節(jié)目組是為了節(jié)目效果而做的虛假實(shí)驗(yàn)。其實(shí)這是利用了非牛頓流體特性的實(shí)驗(yàn)。讀完這篇文章之后，你會(huì)豁然開(kāi)朗，甚至可能會(huì)迫不及待地想動(dòng)手做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)亍?/p>

牛頓流體VS非牛頓流體

想要了解非牛頓流體，首先我們得先知道流體是什么。流體是與固體相對(duì)應(yīng)的物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱，它的基本特征是沒(méi)有一定形狀和具有流動(dòng)性。其流動(dòng)行為由粘度決定，粘度越低越容易流動(dòng)。

根據(jù)粘度特性，流體可以分為兩種基本類型：牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體的粘度主要和溫度有關(guān)，與施加的壓力無(wú)關(guān)，在受到拍打或撞擊時(shí)，其粘度不會(huì)發(fā)生改變，水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油等均為牛頓流體。而非牛頓流體在受到某種力的時(shí)候，比如擊打、撞擊或者踩踏時(shí)，其粘度會(huì)發(fā)生改變，或是粘度降低變得更加容易流動(dòng)，或是粘度增加變得像固體一樣堅(jiān)硬。高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體，比如番茄醬、蜂蜜。

說(shuō)到這或許你仍然覺(jué)得有點(diǎn)困惑，難以區(qū)分兩者的差別。想象一下，用腳踩踏水盆中的水，你不會(huì)感覺(jué)到水忽然變得像固體一樣，它始終是那個(gè)溫柔的水，這就是牛頓流體。而非牛頓流體在受到某種力時(shí)會(huì)改變其粘度或流動(dòng)行為。比如你用水和淀粉按照一定比例混合之后，就會(huì)形成非牛頓流體。用手?jǐn)嚢杷且后w，用拳頭敲打卻又像是固體！如果整個(gè)游泳池都是這種非牛頓流體，可能真可以實(shí)現(xiàn)“水上漂”呢！

非牛頓流體的類型

非牛頓流體可以分為非時(shí)變性非牛頓流體和時(shí)變性非牛頓流體。前者粘度和施加壓力的大小有關(guān)，后者和施加壓力的時(shí)間有關(guān)。

非時(shí)變性非牛頓流體，又分為假塑性流體和脹塑性流體。

假塑性流體的粘度隨著施加壓力的增加而降低。比如番茄醬。如果說(shuō)你想從瓶子里取出番茄醬，卻發(fā)現(xiàn)不容易直接倒出來(lái)。這時(shí)你會(huì)怎么做？你會(huì)搖晃或者擊打瓶子。這樣會(huì)使番茄醬的粘度降低，更容易流動(dòng)，所以就更容易倒出來(lái)了。

脹塑性流體的粘度隨著施加壓力的增加而增加。比如“歐不裂”——這是玉米粉和水的混合物，類似于未煮熟的蛋奶凍。它本來(lái)是一種流動(dòng)的粘液，一旦突然受到壓力，會(huì)變得像固體一樣堅(jiān)固。比如你用錘子擊打，它不會(huì)到處亂濺，而是會(huì)變得更加牢固。如果你把它放在手中滾動(dòng)，會(huì)滾成一個(gè)堅(jiān)硬的球，而一旦你停止?jié)L動(dòng)，它立即又會(huì)變成流動(dòng)的液體，從你的指尖滑出。在這種情況下，這種物質(zhì)的粘度或流動(dòng)阻力會(huì)隨著施加壓力的增加而增加。

而時(shí)變性非牛頓流體，可以分為觸變性流體和流凝性流體。觸變性流體，施加壓力時(shí)間越長(zhǎng)粘度越低。比如蜂蜜，不斷攪拌會(huì)使蜂蜜變得越來(lái)越順滑。流凝性流體則相反，施加壓力時(shí)間越長(zhǎng)粘度越高。比如奶油，越打越稠。

了解非牛頓流體有什么用？

了解非牛頓流體，我們便可以明白，生活中許多看起來(lái)不可思議的現(xiàn)象都可以用科學(xué)解釋。比如為什么口香糖能砸開(kāi)椰子？為什么在沼澤中越掙扎陷得越深？因?yàn)榭谙闾鞘且环N非牛頓流體，當(dāng)突然受到較大的壓力時(shí)，尖錐體的口香糖會(huì)變得像固體一樣堅(jiān)硬，便能砸開(kāi)椰子。而沼澤也算是非牛頓流體，越攪拌越稀，就容易陷進(jìn)去。

我們可以利用非牛頓流體的特性避免一些問(wèn)題。比如說(shuō)我們可以避免把房屋建在某些類型的黏土上。因?yàn)榈卣饡?huì)對(duì)這種黏土施加壓力，那么可能這些原本看似堅(jiān)固的黏土在壓力作用下粘度降低，變成流動(dòng)的液體，如果房屋建在這種黏土之上，那將會(huì)有巨大的安全隱患。

同時(shí)，我們也可以利用這種流體的特性，不斷改進(jìn)產(chǎn)品。比如科學(xué)家正在研究用非牛頓流體制造高性能填充物，用于液體防彈衣中，顯然這種新產(chǎn)品可能會(huì)更好地減輕負(fù)重和增加安全性能。

生活不缺少美，只是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛。留心生活中有趣的現(xiàn)象，學(xué)會(huì)探索、發(fā)現(xiàn)，你可能就是下一個(gè)科學(xué)家。