走在...蛋奶冻上?非牛顿流体的乐趣

加入我们的科学爱好者社区!

本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


天啊,英国人的电视节目真棒。Jen-Luc Piquant不仅喜爱BBC现代版的神探夏洛克重启剧,她也是所有摩斯探长系列侦探剧的铁杆粉丝(“我的天哪,路易斯!”)和古怪又离奇的黑爵士系列(“我有一个绝妙的计划!”)的铁杆粉丝。英国人在科学方面也做得非常出色,无论是像大卫·艾attenborough解说的冰冻星球这样的严肃节目,还是像科学疯子:滥用科学这样更轻松活泼、有点不正经和傻气的节目,这个节目播出了将近五年(2003-2008年)。

今天早上,当他们的一个YouTube视频片段出现在我的订阅源中时,我想起了科学疯子系列:主持人理查德·哈蒙德(现在是广受欢迎的Top Gear的联合主持人)哄骗他的联合主持人乔恩·蒂克尔演示一个实验。在水上行走是不可能的——除非碰巧是耶稣,他“作弊”是因为他有神圣的出身——但在蛋奶冻上行走是完全可能的。看看这个


关于支持科学新闻

如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事。


这是怎么回事?嗯,正如科学疯子们在视频中解释的那样,这是一个非牛顿流体的例子——或者,正如我喜欢称之为“奥布力克”。这是对苏斯博士的致敬,特别是,一个名为巴塞洛缪与奥布力克的故事。

巴塞洛缪是迪德王国的皇家侍童。德温国王有点笨头笨脑,他觉得普通的雨水和雪很无聊,于是命令施放魔法,让一种绿色的粘稠物质从天而降。这种东西被称为“奥布力克”,而且正如魔法经常发生的那样,事实证明它比娱乐性更麻烦,它粘住了整个王国,直到富有创造力的务实派巴塞洛缪想出了拯救世界的方法。

奥布力克是我最喜欢的物质,因为它无法决定自己是想成为固体还是液体——它两者兼顾!值得指出的是,科学疯子们并没有使用鸡蛋、牛奶和糖从头开始制作的蛋奶冻——他们使用的是蛋奶冻粉,它主要由玉米淀粉组成。而且最常见的家庭科学实验之一包括将水和玉米淀粉以适当的比例混合,以获得即时(几乎)非牛顿流体。

艾萨克·牛顿首先描述了他认为的“理想液体”的特性,其中水是最好的例子。这些特性之一是粘度,粗略地定义为给定物质中流动的摩擦力/阻力有多大。摩擦力的产生是因为流动的液体本质上是一系列相互滑动的层。一层滑过另一层的速度越快,阻力就越大,一层滑过另一层的速度越慢,阻力就越小。任何曾经把手臂伸出行驶汽车窗外的人都可以证明,汽车行驶速度越快,空气阻力就越大(空气在技术上是一种流体)。

这是基本原理。但世界不是一个理想的地方,并非所有液体的行为都像牛顿的理想液体。在牛顿的理想流体中,粘度主要取决于温度和压力:无论作用于水的其他力(例如被搅拌或混合),水都会继续流动——即像水一样表现。在非牛顿流体中,粘度会响应施加的应变或剪切力而变化,从而跨越液体和固体行为之间的界限。

物理学家喜欢称之为“剪切力”:搅拌一杯水会产生剪切力,水会剪切以移开。粘度保持不变。但是像奥布力克这样的非牛顿流体呢?当施加剪切力时,它们的粘度会发生变化。

例如,番茄酱是一种非牛顿流体,这就是为什么拍打瓶底不会使番茄酱更快地流出来的原因之一;事实上,它会减慢速度,因为施加力会增加粘度。血液、酸奶、肉汁、泥浆、布丁和增稠的馅饼馅料也是其他例子。奥布力克也是如此。它们在行为方面并非完全相同,但它们都不符合牛顿对理想液体的定义。

该物质会因搅拌、压缩或其他类似的施加力而变得更稠或更粘稠:击打奥布力克,它会硬化成固体,一旦能量消散,又会软化成流体。将它压缩成一个球并将其抛向空中,它会很快失去形状并在落地前变平。

如果你有一个旧的立体声扬声器闲置,你可以把一堆奥布力克倒在上面,然后观看这种物质对音乐节拍的反应。

(旁注:防滴漆表现出相反的效果,刷在墙上很容易,但一旦涂在墙上就会变得更粘稠。在极少数情况下,液态氢和液态氦可以变成超流体,在极低的温度下表现出零粘度。)

类似的剪切增稠流体已经用于原型防弹背心和运动器材,因为它们对冲击的敏感性意味着它们可以更好地吸收高速弹丸或硬冲击的能量,同时仍然足够灵活,可以舒适地穿着。例如,在2003年,特拉华大学的科学家用剪切增稠流体(二氧化硅颗粒悬浮在聚乙二醇中)处理了凯夫拉尔防弹背心的织物

在正常条件下,处理过的材料的分子弱结合并且可以轻松移动;这就是为什么该材料如此灵活的原因。但是任何冲击的冲击——重重摔倒或来袭的子弹——都会导致这些化学键加强,从而使分子锁定到位,并且织物立即变得坚硬。一旦冲击力消散,键就会再次减弱,背心又会变得灵活。参加2006年冬季奥运会的美国和加拿大滑雪运动员穿着由一家名为d3o Labs的英国公司制造的类似形式的“智能盔甲”

科学疯子的片段以蒂克尔试图从蛋奶冻状的奥布力克中脱身的搞笑镜头结束,这证明比人们预期的要困难得多——同样,这是因为不寻常的非牛顿特性。你挣扎得越厉害,这种物质的抵抗力就越大。

这与流沙的行为非常相似。如果你想逃离流沙,最好不要疯狂地挣扎,而是缓慢而耐心地走向更坚固的地面。这是因为流沙也是一种非牛顿流体,尽管它由细小的沙粒或淤泥组成;当与粘土和盐水混合时,它会变成胶体水凝胶。因此,流沙在不受干扰时看起来是固体的,但即使应力发生微小的(例如,1%)变化,也会导致其粘度突然降低,并且走过它的人会沉入沙子中,之后沙子和水的混合物将分离形成类似于固体的物质。(显然,盐是造成这种捕获力的罪魁祸首。)

有什么比一大桶非牛顿流体更有趣的呢?奥布力克:今天就做一批!

改编自存档博客中2007年8月的帖子

参考:

Lee, Young S., Wetzel, E.D., and Wagner, N.J. (2003) "The ballistic impact characteristics of Kevlar soven fabrics impregnated with a colloidal shear-thickening fluid," Journal of Materials Science 38, 2825-2833

© . All rights reserved.