这就是花生酱成为液体的奇怪物理学

是的,花生酱是液体(也是非牛顿流体的一个很好的例子)

Peanut butter on toast

以下文章经The Conversation许可转载,The Conversation是一家报道最新研究的在线出版物。

那些运输安全管理局的要求深深印在每位常旅客的脑海中:您可以携带每件体积不超过3.4盎司(100毫升)的液体。


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但是,当美国运输安全管理局(TSA)最近根据这项规定没收了一罐Jif花生酱时,花生酱爱好者们愤怒了。 一些对安检持怀疑态度的人可能会怀疑,饥饿的官员只是想自己做花生酱三明治。 然而,TSA 坚称花生酱是液体——而一整罐 Jif 花生酱超过了 3.4 盎司的限制。

就像美国人最喜欢的豆类三明治配料一样,这个故事——以及它引发的愤怒——开始传播开来。 然而,我是一名研究流体流动的机械工程师,TSA 的行动对我来说是有道理的。 按照科学定义,花生酱确实是液体。

首先考虑流体

要定义液体,我们必须首先定义流体。 任何在外力剪切下持续流动的物质都是流体。 将剪切力视为穿过物质的切割动作,导致其持续流动。 例如,移动手臂会导致周围的空气改变形状——或者用物理学术语来说,变形——并流开。 当您的手臂划水时,水也会发生同样的情况。

流体有很多种。 有些流体的行为非常可预测且流动顺畅,例如空气或水。 这些被称为牛顿流体,以艾萨克·牛顿爵士的名字命名。 从科学上讲,牛顿流体是指剪切力与它施加在材料上的应力(称为剪切应变)成正比的流体。 对于牛顿流体,流体流动的阻力(即粘度)在给定温度下是恒定的。

其他类型的流体流动起来并不那么顺畅和容易。 对于某些流体,如花生酱,可能需要最小的剪切或切割力才能使其流动,并且它可能与剪切应变呈非线性变化。 想象一下您正在搅拌一罐花生酱。 如果您快速搅拌,剪切力更大,花生酱就会变得更稀,而如果您搅拌缓慢,花生酱仍然会很硬。 这些类型的流体称为非牛顿流体。 花生酱可能更粘稠而不是流动——也许您可以将这种运动视为更块状的风格。

花生酱实际上是非牛顿流体的一个很好的例子,因为它不像空气或水那样容易流动,但如果施加足够的力,它就会流动,例如用刀子将其涂在面包上时。 它的流动容易程度也取决于温度——您可能在将花生酱涂在温热的吐司上后经历过花生酱滴落的情况。

奇怪的流体就在我们身边

我们的日常生活——但不是我们的飞机随身行李——充满了意想不到的流体物质。 总的来说,如果它可以流动,它就是流体。 并且它最终会呈现容器的形状。

一些令人惊讶的流体是花生酱的厨房邻居,如鲜奶油、蛋黄酱和曲奇面糊。 您会在浴室里找到其他流体,如牙膏。 自然界是其他奇怪流体的家园,如熔岩泥石流、雪崩和流沙。

砾石可以被认为是类似流体的。 单个颗粒是固体,但一堆砾石颗粒可以倾倒并填充容器——这就是所谓的颗粒状流体,因为它具有类似流体的特性。 对于从盒子中倒出的谷物或倒入碗中的糖也是如此。

繁忙高速公路上的交通流动,人群从拥挤的体育场馆中涌出。

您甚至可以将躺在阳光下的猫视为流体,当它摊开并填充其类似容器的皮肤时。 昏昏欲睡、放松的狗、松鼠甚至昏昏沉沉的婴儿都可以符合流体的定义。

液体是流体的一种

现在,您可能会反对:但是,TSA 并没有称花生酱为流体,他们说它是液体!

流体分为两大类:气体和液体。 气体和液体都可以变形并倒入容器中,并且会呈现容器的形状。 但是气体可以压缩,而液体不能,至少不容易压缩。

花生酱可以倒入容器中,然后变形,或呈现容器的形状。 而且每个 5 岁的孩子都知道花生酱不会压缩。 当他们将花生酱三明治或花生酱饼干挤压在一起时,花生酱不会挤压成更小的体积。 不——它会从侧面挤出来,弄到他们的手上。

所以,关于花生酱的结论:美味的液体。

如果您计划在飞行途中制作花生酱三明治,请考虑携带少于 3.4 盎司的液体花生酱。 果冻这种液体的近亲也是如此。

本文最初发表于The Conversation。 阅读原文

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