生活中的怪異流體

1、生活中的怪異流體很多事物在相同的條件下,表現卻會完全相反,例如流體(能夠流動的物質),有的流體越攪越稀薄,有的卻越攪越粘稠,有的在這種情況下越攪越稀,在另一種情況下,行為就完全變了個樣!而且這樣的怪異現象時時就在我們身邊發(fā)生著。水是地球上最常見的流體很純的水不在上述怪異流體的圈子里,我們無論如何攪動水,它都不會變稀薄也不會變粘稠。但是表現怪異的流體卻往往有水的參與!流體是生活中十分常見的一種物理現象，是液體和氣體的總稱，是由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的，它的基本特征是沒有一定的形狀和具有流動性。流體都有一定的可壓縮性，液體可壓縮性很小，而氣體的可壓縮性較大，在流體的形狀

2、改變時，流體各層之間也存在一定的運動阻力（即粘滯性）。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時，可近似看作是理想流體，它是人們?yōu)檠芯苛黧w的運動和狀態(tài)而引入的一個理想模型。 流體雖然是我們生活中司空見慣的東西，但對于那些細心觀察的朋友，流體就不在是簡單的一種流動現象。相反，它的一些性質完全違背我們的常識，它的一些現象也是堪稱怪異。下面就是我們小組收集的生中與流體有關的怪異現象。 流體之所以能呈現出如此多的怪異現象，與流體本身的性質是密不可分的，我們在生活中所接觸的流體（水），大多是牛頓流體（牛頓流體是指在受力后極易變形，且切應力與變形速率成正比的低粘性流體）。然而，就好像愛伊斯坦發(fā)現牛頓力學的時空觀并不能

3、使用于高速物體一樣，生活中也有一些流體并不在牛頓的管轄之下，他們就是非牛頓流體。非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產和大自然之中。絕大多數生物流體都屬于現在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。先讓我們認識一下飛牛頓流體。非牛頓流體可以分為三大類，即非時變性非牛頓流體、時變性非牛頓流體、粘彈性流體（如下圖）一. 流變性與時間無關的非牛頓流體（1）塑性流體1.流變方程（賓漢公式）： 特點：2.塑性流體的流變性與牛頓流體不同，受力后，不能立即變形流動

4、。3.流動初期切應力與速度梯度之間呈曲線關系，粘度隨切應力增大而降低，隨速度梯度的增大，切應力逐漸減弱，最后接近牛頓流體，成直線關系，流體的粘度不再隨切應力的增加而變化，稱為塑性粘度。4.塑性流體存在兩個極限應力極限靜切應力-使塑性流體開始流動的最小切應力。極限動切應力-塑性流體流變曲線直線段的延長線與橫坐標軸的交點對應的切應力，是塑性流體流動時經常克服的與粘度和速度梯度無關的定值切應力。5.塑性流體的塑性粘度和視粘度塑性粘度- 與液體內部網狀結構有關。流體內部出現相對速度以后，由于內部網狀結構遭到拆散，網狀結構的拆散程度隨切應力的增加而增加，粘度隨切應力的增加而降低。隨著網狀結構拆散程度增加

5、，可供拆散的網狀結構減少，拆散速度也變小。同時由于被拆散的網狀結構增加了，彼此之間重新恢復網狀結構的機率增加。當拆散速度與重新恢復速度相等時，成為平衡狀態(tài)，粘度將保持常數，即流變曲線上的直線段部分，這個穩(wěn)定的粘度稱為。視粘度- 為了便于同牛頓流體相互比較 -視粘度隨剪切速率變化。（2）假塑性流體的特點受力后立即流動，流變曲線經原點，因其結構性較弱，隨著剪切速度的增加，網狀結構被破壞，質點的相互位置得到調整，并順著流動方向定向，導致施加于流體的切應力相互減少，從而使流變曲線凹向切應力軸，粘度下降，愈拌愈稀，這種特性稱為剪切稀釋性。（3）膨脹流體的特點受力后立即流動，流變曲線經原點。所含顆粒形狀極

6、不規(guī)則，靜止時緊密排列的顆粒嵌入鄰近層的空隙中，流動后隨著剪切速度的增加，中間層顆粒來不及嵌入鄰近的空隙中就被穩(wěn)定推過，因而發(fā)生膨脹，粘度增加，即愈拌愈稠。這種特性稱為剪切增稠性。停止剪切后馬上恢復，流變曲線凸向切應力軸。二 . 流變性與時間有關的非牛頓流體（1）觸變性流體在一定剪切速度下，隨時間增加而切應力下降，即粘度降低，由稠變稀，達到某時刻以后，切應力不再變化，形成動平衡。 觸變性流體 震凝性流體（2）震凝性流體在一定剪切速度下，隨時間增加而切應力上升，即粘度增加，由稀變稠，達到某時刻以后，切應力不再變化，形成動平衡。三 . 粘彈性流體粘彈性流體既具有粘性，又具有彈性。表現為自漏斗流出后

7、，流束變粗，發(fā)生膨脹；攪拌時如停止攪拌表現有彈性反轉，其粘度用一般粘度計無法測定。認識了這么多非牛頓流體的性質 那它與我們的生活有什么關系呢。早在人類出現之前，非牛頓流體就己存在，因為絕大多數生物流體都屬于現在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。近幾十年來，促使非牛頓流體研究迅速開展的主要動力之一，是聚合物工業(yè)的發(fā)展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。 石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井

8、液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。非牛頓流體在食品工業(yè)中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、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。綜上所述，在日常生活和工業(yè)生產中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復雜性質的流體，差不多都是非牛頓流體。有時為了工業(yè)生產的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。現在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石

9、油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質。下面便是一些生活中的流體：超級護甲-液體防彈衣液體防彈衣，的主要成分是一種特制“抗剪稠密液體”（STF），該物質含有大量懸浮在無毒聚乙烯醇流體中的硬質納米級硅膠微粒。據負責該型研發(fā)項目的埃利項目的埃利克魏特茲爾博士介紹，正常情況下STF就像其他液體一樣，很柔軟，可以變形。一旦彈片或彈頭觸到它，這種液體就能瞬間轉變成一種硬質材料，阻止彈體穿過。英國布里斯托爾國防航空業(yè)巨頭BAE系統(tǒng)公司的一個科學家小組開發(fā)出這項創(chuàng)新技術，利用被戲稱為“防彈奶蛋糊”的物質，已經制成一種液體防護衣，這種防護衣在受壓后會自動變硬，吸收

10、撞擊在它表面的彈片產生的沖擊力。 當抗剪稠密液體受到沖擊時，組成這種材料的分子的結合方式，跟奶蛋糊類似。用湯匙攪動奶蛋糊的例子，是這項技術的最好解釋。湯匙攪奶蛋糊時，會感覺湯匙受到了阻力。當液體防護衣里的液體成分結合在一起時，你會感到明顯的阻力。你攪拌的越快，奶蛋糊變得就越硬，因此當子彈高速撞上該材料時，它會迅速變硬，吸收撞擊產生的沖擊力?！?英國科學家利用被戲稱為“防彈奶蛋糊”的物質，已經制成一種液體防護衣，這種防護衣在受壓后會自動變硬，吸收撞擊在它表面的彈片產生的沖擊力。研究人員把他們推導出來的一個秘密化學公式與傳統(tǒng)的凱芙拉纖維結合，制成這種“超級護甲”。當這種衣物的粘性物質與傳統(tǒng)的凱芙拉

11、纖維粘貼在一起，可以吸收子彈產生的沖擊力，并通過變稠，對撞擊做出反應。他們希望利用這種物質，為前線的士兵制作更輕、韌性更好和更有效的防護背心。專家之所以會將這種液體稱作“防彈奶蛋糊”，是因為它的分子的結合方式和“變稠”方式，跟攪拌中的甜點奶蛋糊一樣。舞動的玉米糊生活大爆炸第二季，第三集中有一段玉米糊在音響上跳舞的片段，引起我們的好奇，為什么液體玉米糊會在聲波下像有生命一般，凝結成團，跳動。 字幕告訴我們答案，玉米糊是一種非牛頓流體，與我們所學的大學物理中介紹的牛頓流體性質上有很大的不同。我們在網上查找到了很多相關的視頻，其過程大多如此：用鮮膜包住低音炮喇叭口，倒上玉米糊，打開音樂，伴隨著音箱的

12、振動，液體真的開始凝結、扭動，還會高高站立起來，就像是隨音樂起舞的精靈；關掉音樂，瞬間又變回了一攤糊狀物。還發(fā)現，在攪拌玉米淀粉糊的時候，有一個奇怪的現象，越用力越攪不動，必須柔緩地攪動，不僅如此，雖然看起來是黏糊糊的液體，但如果用筷子使勁戳，會有種戳在板磚上的感覺，根本下不去，輕輕地插，方能直達杯底。 這對于見慣了液體固體的我們的確很新奇，但了解到非牛頓流體的一般性質就能比較輕松地理解了。非牛頓流體是一種流體力學中的概念，與牛頓流體相對，作用于液體微元上的摩擦應力除與當前的運動狀態(tài)外還與液體過去的運動狀態(tài)有關，也就是說，此種液體有記憶效應，它的受力變化過程也就“緩慢”，我們能看見它連續(xù)的變化

13、過程，因此它能在聲波中跳舞一般地舞動。而且當攪拌非牛頓流體時會出現一個能一直維持形狀的“洞”，呈現出一定“固體”的性質。作為生活中最常見的非牛頓流體，我們可以在家自己制作，買一包玉米淀粉，按12的比例加入水，調成黏糊糊的液體就完成了。沙漠死神流沙上漲的地下水減小了沙粒之間的摩擦力，使得沙子開始“流動”，從而形成了流沙。 當一片散沙帶的水分達到飽合時，普通沙子就會翻滾起來，從而形成流沙。如果被沙子捕獲的水分無法從中脫離，就會形成液化土，液化土無法再承受重量。有兩種方式可使沙子的翻滾程度增加，最終形成流沙。 流動的地下水水流向上流動產生的力克服了重力，使得沙粒更易漂浮。

14、0;地面振動產生的力可以增加淺層地下水的壓力，從而使沙子和淤泥沉積發(fā)生液化。液化的表面不再具有支撐能力，因此地面上的建筑物或其他物體會發(fā)生下沉或倒塌。 據新南威爾士地質調查局的拉里·巴倫(Larry Barron)博士介紹，振動會增加流動性，因此原來相當堅固的物質會變得柔軟，并具有可流動性。 振動和水形成的障礙減小了沙粒之間的摩擦力，使得沙子變得像液體一樣。為了弄明白流沙，您先要了解液化過程。據猶他州地質調查局介紹，土壤液化時，就變得和流沙一樣失去了支撐力，并且表現得像粘性液體而不是固體。在地震過程中，液化會造成建筑物大幅度沉入地下。 雖然流沙可以發(fā)生在

15、幾乎任何有水的地方，但是在某些地方流沙出現得尤為頻繁。最容易發(fā)生流沙的地方包括：河堤、海灘、湖岸線、地下泉附近、沼澤。 但是如果有足夠的水分沖入其中，沙灘上的沙子很容易變成流沙。如果過量的水分流入沙地，會造成沙粒間的相互分離。沙粒分開會使地面變得松散，沙地上的任何重物都將陷到里面去。荷蘭阿姆斯特丹大學的柏恩在一次前往伊朗的度假旅行之中，遇見過一位當地牧羊人。他指著流沙告訴柏恩，村里曾有駱駝陷下去后就立即消失。柏恩對此將信將疑，回國后就立即對此展開研究。他仔細觀看和分析了數十部描述到流沙噬人場景的電影，發(fā)現這些電影對流沙的描述根本就是錯誤百出。后來，柏恩在實驗室里將細沙、黏土和鹽水混合

16、在一起，重建一個微型室內流沙模型來進行研究。經過反復實驗，柏恩領導的科研人員發(fā)現，要把沙子變得像太妃糖一樣黏需要好幾天時間，但要讓它失去黏性則很容易，只要在其表面施加適當的壓力即可。一旦流沙表面受到運動干擾，就會迅速“液化”，表層的沙子會變得很松軟，淺層的沙子也會很快往下跑。這種遷徙運動使得在流沙上面運動的物體下沉，然而，隨著下沉深度的增加，從上層經遷徙運動掉到下方底層的沙子和黏土逐漸聚合，便會創(chuàng)造出厚實的沉積層，使沙子的黏性快速增加，阻止了物體進一步下陷。研究還發(fā)現，當物體陷入流沙后，下陷速度要視物體本身的密度而定。流沙的密度一般是2克/毫升，而人的密度是1克/毫升。在這樣的密度下，人類身體

17、沉沒于流沙之中不會有滅頂之災，往往會沉到腰部就停止了。研究者還發(fā)現，即便是一些密度比流沙大很多的物體，也能浮于流沙之上。在實驗中，研究人員將一個密度為2.7克/毫升的鋁盆置于流沙的頂部，盡管其密度大于流沙，但由于受流沙浮力和沙面張力的影響，鋁盆仍能平靜地呆在流沙的表面。當科學家開始輕輕晃動這個鋁制容器時，情況發(fā)生了變化，容器稍稍下陷了一點，當他們加大力度搖晃時，這個容器慢慢沉入沙底。研究認為，陷入流沙的人一般都動不了，密度增加以后的沙子粘在掉進流沙里的人體下半部，對人體形成很大的壓力，讓人很難使出力來。即使大力士也很難一下子把受困者從流沙中拖出來。經研究人員計算，如果以每秒鐘一厘米的速度拖出受

18、困者的一只腳就需要約10萬牛頓的力，大約和舉起一部中型汽車的力量相等。所以除非有吊車幫忙，否則很難一下子把掉進流沙的人拉出來。研究還指出，照這種力量的計算，如果生拉硬扯，那么在流沙“放手”前，人的身體就已經被強大的力量扯斷。此舉所造成的危險遠高于讓他暫時停在流沙當中。取自撒哈拉大沙漠的流沙樣品是由沙子和鹽水混合構成的半固體狀態(tài)，這些顆粒松散地堆積在一起。沙粒堆積起來，使其有了看似穩(wěn)定的表面，但即便是承受很小的壓力，流沙的整體框架便會立即塌陷。濃厚的“沙漿”堆積在底層，它能粘住所有的物體，使其動彈不得；而流沙中的超細顆粒更是危險它使流沙具有使人致死的巨大夾緊力。如果陷入流沙中，最明智的做法是不要

19、在流沙中掙扎，而是耐心而輕微地來回倒腳，使“沙漿”松散開來，不要緊緊地粘住你。如果撒哈拉大沙漠確實有駱駝被流沙吞沒，波恩相信，肯定是駱駝拼命掙扎著要逃出來，結果是被流沙完全淹沒。非牛頓流體的奇妙特性及應用射流脹大（1）如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發(fā)現射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴于雷諾數，其值約在0.881.12之間。而對于高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數。模片脹大現象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩

20、形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。這種射流脹大現象，也叫Barus效應，或Merrington效應。圖 1 奶酪生產情景：奶酪從管中流出后馬上脹大爬桿效應（2）1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉實驗桿。對于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對于黏彈性流體，卻向杯中心流動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉速度很低時，也可以

21、觀察到這一現象。爬桿效應也稱為Weissenberg效應。在設計混合器時，必須考慮爬桿效應的影響。同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應。圖 2 爬桿效應實驗：左為牛頓流體，右為黏彈性流體無管虹吸（3）對于牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。圖 3 無管缸吸：對于化纖生產有重要意義湍流減阻（4）非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻。