在網上搜索「非牛頓流體」,映入眼帘的是一大堆在特製的流體上奔跑的視頻。這種流體用玉米澱粉和水按一定比例製作而成,具有「遇強而強」的性質。當它受力時,它就會變稠,且所受的力越大,它就變得越稠。於是,人們可以在它上面跑動而不會往下沉。但是,當你靜止不動時,你就會慢慢往下陷。
科學家對此有許多種解釋,但是可信度最高的只有這種:玉米澱粉分子懸浮在水中,當它受到壓力時,分子之間的水就會被擠出,此時澱粉分子之間就會互相擠壓。也正是這種性質,它獲得了許多視頻創作者的青睞,這種非牛頓流體被放在液壓機下甚至是火車鐵軌上做實驗。
網上鋪天蓋地的都是這種非牛頓流體的視頻,於是很多人就認為非牛頓流體就是玉米澱粉和水的組成,甚至還有人提問「非牛頓流體能阻擋穿甲彈嗎?」今天,我們就來好好聊聊到底什麼是非牛頓流體。
什麼是流體
通過日常中的觀察,你可能會覺得固體是硬的,流體是軟的、是可流動的。但是這種對流體的定義不是令人滿意的,因為許多固體也存在流動現象,只是它非常緩慢,比如瀝青。
如果我們看一看分子結構,我們會發現固體的分子結構緊密排列,而流體的分子結構則較為疏遠。這樣看起來就比較科學了。但是這還是不夠的,因為我們沒有定量的手段來判斷緊密和疏遠的界限,也就沒辦法區分許多固體和流體的差異。
那麼工程學上是怎樣對流體進行定義的呢?我們知道流體會流動,流動會產生形狀上的變化,那麼這種變化會持續多長時間呢?只要在流體中存在切向力,那麼這種變化就永遠存在。於是,我們在工程中認為流體是一種在剪應力作用下會持續發生形狀變化的東西。
牛頓內摩擦力定律
剪應力是一種切向應力,它等於剪切力除以面積。流體對剪應力產生的抗力,則是由流體的一個特性決定的,這就是粘度。粘度也是艾薩克 牛頓考慮過的一個問題。他設計的一個理論實驗是,兩個平行的板子,中間充滿了流體,其中一個板子固定,另一個板子以速度U移動。牛頓通過觀察發現,內摩擦力正比於流層間的面積,且與流層移動的相對速度成正比。於是他就總結出了牛頓內摩擦力定律。
式中,τ為流體的剪應力,μ為流體的粘度,而du/dy是流體的速度梯度,稱為剪應變。剪應力與剪應變成線性關係的流體就稱為牛頓流體。事實上,牛頓流體的例子也很多,如水、空氣等。
非牛頓流體
關於粘度,還有一些知識要講。對於大多數流體來說,它的粘度在很大程度上與溫度有關。當溫度越高的時候粘度越低。事實上,大多數流體的粘度並不是一個衡量,剪應力與剪應變之間並不總是線性關係。
當一種流體的剪應力和剪應變不符合線性關係的時候,我們就稱這種流體為非牛頓流體。如果我們把剪應力當成縱坐標,把剪應變當成橫坐標,那麼我們將發現有兩種常見的非牛頓流體。一種是粘度隨著剪應力的增長而增加,我們稱這種流體為剪切增稠流體,比如常見的玉米澱粉和水的組成。另一種是粘度隨著剪應力的增加而減少,我們稱為剪切稀化流體,比如酸奶,如果快速攪拌的話它就會變稀,女生的很多化妝品也有這種特性。
剪切稀化液體會產生一種凱伊效應,這是1963年英國工程師艾倫·凱伊首次提出的。當把液體倒入到一固體表面時,表面會噴出一束液體與倒下的液體相會。科學家還曾經把固體表面換成了肥皂泡,同樣也發生了凱伊效應。
賓漢塑性體
賓漢塑性體是由工程師賓漢於1919年提出的一種理想物體,它有著非常有趣的特性。在低剪切力的情況下,它就表現得像是一個固體。當剪切力超過它的屈服極限的時候,它就變成了牛頓流體。
生活中常見的牙膏就是賓漢塑性體的典型例子。當我們不動牙膏的時候,它就那樣堆在那裡。但是當我們用力把牙膏從管子裡擠出來的時候,它就會像流體一樣從管子中流出。