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惊讶!口香糖竟能开椰子 原理到底是啥

生活大发二分彩—大发三分彩来源:羊城晚报 2019年08月24日 14:03 A-A+ 二维码
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 口香糖搓成圆椎体状真的能开椰子?(视频截图)

牙膏是典型的宾汉流体(资料图片)

  烈日炎炎的夏天,正是喝椰子汁、吃椰肉的好时节。这里有一个有趣的问题:如果手边只有榴莲、橡皮筋、口香糖三种东西,你觉得可以选择其中哪一种,能快速打开一只椰子呢?

  你可能想象不到,研究者会告诉你,用口香糖开椰子正是其中最为简单可行的方法。

  如果你想知道这其中的原理,就需要好好了解一下非牛顿流体与牛顿流体的各种物质了。

  胀流性流体:吃软不吃硬

  ——口香糖、淀粉溶液、海滩上的湿沙、混凝土浆属于胀流性流体

  用口香糖开椰子的正确姿势是什么呢?

  首先把几片没有嚼过的口香糖揉成一个圆锥形,然后尖端朝上,底部平放在桌子上,接着用手捧起椰子到一定高度,用力往口香糖上砸。我们会发现,口香糖不仅不会被砸扁,反而会把椰子砸出了一个洞。如此反复几次,椰子就能被破开。

  口香糖究竟为何拥有如此神功?其实其中的原理就是——非牛顿流体原理。口香糖中有一种胶基的成分,属于非牛顿流体中的切力增稠流体,这种流体在大的外力作用下黏度会变大,且外力越大,黏度就越大。

  当椰子以高速撞击口香糖时,口香糖黏度迅速增大,此时就表现得像固体一样坚硬,从而扎破椰子坚硬的外壳。而外力一旦撤出之后,它又会恢复成液体的性质。如果外力作用小而缓慢,它就会表现得和普通液体一样,具有流动性。它还真是一个吃软不吃硬的家伙。

  这种流体在发生增稠时,体积会略微膨胀,所以切力增稠流体也叫胀流性流体。淀粉溶液、海滩上的湿沙、混凝土浆等都属于这类流体。

  胀流性流体黏度的改变,和它内部的结构有关。即发生切力增稠时,流体内部便形成了某种结构。

  胀流性流体通常为多相混合物,比如海滩上的湿沙,是沙子和水的混合物。在没有外力作用或者外力作用很小时,不规则的沙粒紧密堆积,水可以均匀地填充在沙粒之间的间隙中,起到润滑剂的作用。当有人一脚踩在沙子上,原本紧密堆积的结构被破坏,沙粒间产生“错位”便会使得体积增大;同时水被迫向周围运动,流动发生紊乱,阻力会增大,而沙子也因为失去润滑剂的作用,流动更加困难。所以,海滩上渗入海水的沙面比干沙子好走,就是因为湿沙的这种特性会使我们的脚更不容易陷下去。

  宾汉流体:有时像固体,有时像液体

  ——牙膏、洗面奶、护手霜等属于宾汉流体

  既然有非牛顿流体,就必然有牛顿流体。剪切应力和剪切速率符合牛顿流体公式的流体都属于牛顿流体。水、空气都是牛顿流体,它们的剪切应力和剪切速率成正比关系。

  只要是剪切力和剪切速率不符合牛顿流体公式的流体,都称为非牛顿流体。除了胀流性流体外,非牛顿流体还包括假塑性流体和宾汉流体。厨房中的各种酱料、油、高分子溶液、泥浆,乃至生物体内的血液、细胞液都是非牛顿流体。

  宾汉流体的剪切应力和剪切速率也是成线性关系,但与牛顿流体不同的是,它有一个屈服应力,只有当外力大于屈服应力时它才会发生流动。

  最典型的宾汉流体就是牙膏。在没有外力作用时,它看上去像固体。只有当我们用力挤牙膏时,它才会从管子里面“流”出来,被挤到牙刷上时,它也依然能够保持一定的形状而不会“趴”下去。如果不去挤它,即使你把牙膏管倒过来,它也不会流出来。

  同样的,我们可以推测出,像洗面奶、护手霜之类的东西也是宾汉流体。建筑上用的油漆也需要设计成宾汉流体,我们既要求它在搅拌和涂刷时能够流动,同时也要求它在涂到墙上之后不会因为重力的作用而从墙上流下来,也就是说油漆的屈服应力应该大于自身重力。

  同胀流性流体一样,宾汉流体也是一种多相混合物。一般认为,宾汉流体中的填充物形成了三维网状结构,这种结构具有一定的强度,能够抵挡较低的外力;当外力足够大时,三维结构被破坏,填充物才会随着溶剂一起流动。

  假塑性流体:欺软怕硬

  ——血液、岩浆、酸奶、番茄酱、洗发水属于假塑性流体

  如果说胀流性流体吃软不吃硬,那么假塑性流体就是欺软怕硬的家伙。假塑性流体表现出来的性质和胀流性流体恰恰相反,在低剪切速率下黏度保持为常数,当剪切速率增大,黏度反而减小。也就是说给它施加的外力越大,它表现出来的黏度越小。所以它也叫做切力稀化流体。

  很多高分子液体属于这类流体。流体的黏度可以理解为流体内分子之间的摩擦力,摩擦力越大,黏度就越大。高分子液体中的溶质是一种分子质量很大、结构很长的分子,在没有外力的情况下,它们通常呈卷曲状态,分子之间可能会相互缠结、碰撞,摩擦力比较大;当有外力存在时,卷曲的分子就会沿着剪切力的方向伸展开来,分子平行排列,相互之间的摩擦力就减小了,因而黏度也降低了。

  血液、岩浆、酸奶、番茄酱、洗发水都属于假塑性流体。当我们缓慢搅拌酸奶或番茄酱的时候,会发现比较费劲,而搅拌得快了,反而会更加轻松,其实就是如上的道理。

  假塑性流体还有一个很有趣的现象——凯伊效应。当一束高黏度的假塑性流体射向一个固体表面的时候,固体表面会把液束向上反弹回去。

  仔细观察实验现象,不难发现,发生反弹的水流的下方总是积聚了一层流体,再结合假塑性流体的性质,整个过程应该是这样的:快速下落的液束对下方的黏性流体堆造成冲击,流体表面因为受到冲击力,黏度变小,受到撞击后形成一个酒窝状的凹坑,同时黏度降低的表面充当润滑剂的作用,最终使得下落的液束被反弹出去。

  (蔡东民)

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