有趣的非牛頓流體

葉弘宇

摘 要：非牛頓流體是堅硬和柔軟的結(jié)合體，在大自然和生活中都存在非牛頓流體。非牛頓流體屬于液體，具有柔性，同時還具備遇強則強的特性。采用輕松詼諧的語氣，深入淺出地介紹了非牛頓流體及其特性，它與牛頓流體的區(qū)別以及在生活中的運用。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體；淀粉水；堅硬；固體

在我們的生活中有種物質(zhì)是堅硬和柔軟的結(jié)合體，它就是非牛頓流體。

一、什么是非牛頓流體

讓我們來了解一下什么是非牛頓流體吧。非牛頓流體的官方定義是指高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等。包括聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液和各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等。其實在大自然和我們的生活中都存在非牛頓流體，石油、泥漿、紙漿、油墨、油漆、牙膏、泡沫、瀝青等都是非牛頓流體。食品中的番茄汁、淀粉液、蛋清、醬油、果醬、煉乳、熔化巧克力、面團、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體。還有絕大多數(shù)生物流體都屬于上述定義的非牛頓流體，就連人身上的血液以及像細胞質(zhì)那樣的“半流體”也屬于非牛頓流體。

二、非牛頓流體與牛頓流體的區(qū)別

了解了非牛頓流體，新的問題來了，既然我們的生活中存在著許多的非牛頓流體，那與之相對應(yīng)的牛頓流體又是什么呢？兩者的區(qū)別是什么？

其實自然界中許多流體都是牛頓流體。例如水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體。牛頓流體在受力后極易變形，且切應(yīng)力與變形速率成正比，屬于低粘性流體，而不同于牛頓流體特性的流體一般被稱為非牛頓流體。從流體力學的角度來說，凡是服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，反之稱為非牛頓流體。也就是牛頓流體就是像水一樣的低粘性流體，凡是不屬于低粘性的流體，例如淀粉液就稱為非牛頓流體。

三、非牛頓流體的有趣特性

雖然非牛頓流體屬于液體，具有柔性，但它同時還具備遇強則強的特性，讓我們來看看在它“身上”發(fā)生的有趣現(xiàn)象吧。

武俠小說中的武林高手，武藝高強，身負各種武林絕學，其中就有種叫“水上漂”的功夫，依靠輕功從水面上飛奔而過，這在現(xiàn)實生活中當然是不可能存在的。

而非牛頓流體卻可以幫助我們實現(xiàn)“水上漂”的奇跡。將一定比例的玉米淀粉和水攪拌均勻制成淀粉水，輕輕觸碰時就像水一樣，很容易將手指伸進去。當你大力且快速地拍打時，淀粉水卻變得十分堅硬，就像是拍在石頭上一樣。其原理就是，淀粉水其實是一種非牛頓流體，流體粘度會隨著受到的壓力和速度而變化，壓力越大速度越快，粘度會隨之增加，從而成為暫時性的固體。所以只要我們用足夠快的速度就能順利地從淀粉水面上跑過，實現(xiàn)“水上漂”，是不是很有趣？

還有更有趣的是我們最常見的口香糖，它也是非牛頓流體。也許你不太會相信，覺得口香糖這么一個普通的東西，怎么會和非牛頓流體扯上關(guān)系？

中央電視臺一檔科普類節(jié)目《加油，向未來》曾經(jīng)就為我們很好地詮釋了這一問題。主持人向場上嘉賓提出問題，“口香糖、榴梿和橡皮筋，哪種物質(zhì)能最快打開椰子？”在嘉賓的逐一驗證下，只有口香糖最終打開了椰子，是不是難以置信？讓我們來了解這其中的奧秘吧，大多數(shù)人只吃過口香糖，卻沒有仔細了解它的配料是什么。口香糖的成分里包含了一種叫做膠基的物質(zhì)，它其實是一種高分子材料，也是非常典型的一種非牛頓流體，具備遇強則強的特性，當用椰子使勁砸向捏成寶塔形狀的口香糖時，口香糖受到的外力越大越快時就變得越堅硬，所以一下子就把椰子殼扎破了。

四、非牛頓流體在生活中的運用

如果在牛頓流體中加入少量聚合物，使其變成非牛頓流體，就能在生活中發(fā)揮很大的作用。例如在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上，大大增加消防水的有效覆蓋范圍。

非牛頓流體，介于液體與固體之間，當表面受到壓力時，會開始變硬，具備一定的固體特性，甚至連子彈都無法穿過。當表面壓力消失時，又變得十分柔軟，和液體一樣。根據(jù)這種特性，人們開始研制“非牛頓流體”防彈衣，既舒適又柔軟，防彈性能更優(yōu)秀，相信在不久的未來，這種防彈衣將會取代普通的防彈衣。

目前國外已有公司利用非牛頓流體的特性，做出了一款超級人性化的液體減速帶?，F(xiàn)在常用的普通減速帶當司機通過時，盡管車速很慢，還是會引起車身震動，發(fā)出“嘭嘭”響聲，令人倍感不適。如果采用非牛頓流體減速帶，在車速特別慢的情況下，它就像一個不會壓壞的水帶，在車內(nèi)幾乎察覺不到有減速帶的存在。只有在車速特別快地通過時，非牛頓流體受力變硬的特性才顯現(xiàn)出來，汽車才會像是壓在普通的減速帶上一樣引起車身震動，發(fā)出“嘭嘭”響聲。

由于非牛頓流體與許多工業(yè)生產(chǎn)部門的設(shè)備、工藝、效率和產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，也關(guān)系到我們的生活和健康，所以各國的科學工作者越來越重視這種物質(zhì)。非牛頓流體在中國也已經(jīng)有了很久的研究，中國科學院的院士歐陽鐘燦先生就是研究非牛頓流體的大師。

隨著非牛頓流體逐步被人們認識和利用，研究它的科學家也越來越多，非牛頓流體力學已經(jīng)發(fā)展成為一門獨立的學科。

參考文獻：

[1]江體乾，唐寅南.非牛頓流體傳遞過程研究進展及應(yīng)用[J].力學進展，1987（3）.

[2]彭巖，呂冰海，紀宏波，等.非牛頓流體材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望[J].輕工機械，2014（1）.

[3]荊旭，林靜，鄭志文.非牛頓流體減速帶的改進與應(yīng)用[J].公路與汽運，2018（4）.

編輯 李燁艷