
在网上搜索“非牛顿流体”,你会看到很多关于这种神奇流体的视频。这种流体由玉米淀粉和水按一定比例混合而成,呈现出一种“遇强则强”的特质。当受到外力作用时,它会变得稠厚,而且所受的力越大,它就越稠。人们可以在上面奔跑而不会沉下去。但如果你静止不动,你会慢慢陷入其中。
对于这种现象,科学家们给出了多种解释,其中较为可信的是:玉米淀粉分子在水中悬浮,受到压力时,分子间的水被挤出,淀粉分子间互相挤压。这种特性使得非牛顿流体成为了许多视频创作者的宠儿,被用于各种实验,如液压机下的挑战和火车铁轨上的测试。
那么,什么是流体呢?在日常生活中,我们可能会认为固体是硬的,流体是软的且可以流动。但从科学的角度来看,流体的定义并不止于此。许多固体实际上也表现出流动现象,只是这种流动非常缓慢,例如沥青。从分子结构上看,固体的分子排列紧密,而流体的分子结构则相对疏远。但在工程学中,流体被定义为一种在剪应力作用下会持续发生形状变化的物质。
为了更深入地理解流体,我们需要了解牛顿内摩擦力定律。剪应力是一种切向应力,与剪切力和面积有关。流体的粘度决定了它对剪应力的反应。艾萨克牛顿曾经设计了一个理论实验来研究流体的内摩擦力,并发现内摩擦力与流层间的面积和流层移动的相对速度成正比。这就是牛顿内摩擦力定律的核心内容。
根据这个定律,我们可以定义牛顿流体和非牛顿流体。当流体的剪应力和剪应变之间呈线时,我们称之为牛顿流体,如水和空气。对于大多数流体来说,它们的粘度与温度密切相关,当温度升高时,粘度通常会降低。当流体的剪应力和剪应变不符合线时,我们称之为非牛顿流体。
非牛顿流体分为多种类型。一种是在受到剪切力时粘度增加的流体,称为剪切增稠流体,如玉米淀粉和水的混合物。另一种是随着剪切力的增加粘度降低的流体,称为剪切稀化流体,如快速搅拌下的酸奶。还有一种叫做宾汉塑性体的理想物体,它在低剪切力下表现为固体,当剪切力超过屈服极限时则表现为牛顿流体,如牙膏就是典型的例子。
除了这些基本特性,非牛顿流体还有许多有趣的性质和应用。例如,剪切稀化液体会产生凯伊效应,这是一种有趣的液体现象。科学家们通过不同的实验和观察,不断揭示非牛顿流体的奥秘和应用潜力。这些奇特的现象和性质使得非牛顿流体在科研、工业和商业等领域具有广泛的应用前景。
