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剪切增稠的非牛顿流体的特性,愈挫愈勇的它有多神奇?

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网传口香糖可以开椰子、坚果、榴莲等你相信吗?以口香糖为例,遇强则强,遇弱则弱,吃软不吃硬的非牛顿流体到底有多神奇?将没有嚼过的口香糖捏成锥形,此刻的口香糖摸上去仍然是软软的,但是如果你将坚硬无比的椰子向着口香糖尖端部分快速地用力砸下去,结果却是椰子被砸开,口香糖却可以轻而易举地就贯穿拥有坚硬外壳的椰子,这可是椰子蟹需要用大钳子开一夜的效果。

之所以会这样,正是因为没嚼过的口香糖实际上属于非牛顿流体的一种。所谓非牛顿流体,就是指不满足牛顿黏性实验定律的流体,即剪应力与切应力应变率之间不存在线性关系的流体。

要搞清这个关系我们先得理顺什么是剪应力?

很多时候我们总体到剪应力,却不知道它也是应力的一种,常规定义为单位面积上所承受的剪力(又称剪切力),这种力的方向与受力面的法线方向正交。

剪切力是当一对相距很近,大小相同,指向相反的横向外力。在建筑工程中,剪力墙是一种常见的结构形式,是建筑物的分隔墙和围护墙。 当应力的方向既不与截面垂直,也不与截面平行时,为了简化分析以解决实际问题,我们需要把应力沿着与截面垂直的方向和与截面平行的方向分解。同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为切应力或剪应力。 剪应力和切应力的区别是什么?

可以这么理解,剪应力和切应力其实都是描述物体内力的一种方式,它们的定义都与物体的受力、湿度变化等外界因素而变形时,在物体内部各部分之间产生相互作用的内力有关。这种内部的力是可以抵抗外界因素对物体造成的影响,可以使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置,也就是可以说剪应力或剪切力是同样的一种表达方式。

回到原话题,也就是说,非牛顿流体具有剪切增稠或剪切变化的性质。

剪切增稠,简单点来说就是搅动越快,搅动的力气越大,粘度就越强。这种非牛顿流体在受力缓慢时产生的阻力较弱,在受力剧烈时产生的阻力则会非常大,甚至会出现固体的形态。剪切增稠的非牛顿流体以沼泽地、流沙、口香糖、一定比例制成的淀粉糊等为代表。

就如,水草茂密的泥泞地区是形成沼泽地的天然温床,在沼泽地在形成的过程中,长期受到积水的浸泡,它的形成与特定的环境条件密切相关。沼泽地通常位于地形低洼的地方,这里的土质黏重,透水性不佳,气候也相当湿润,地表积水属于常年侵泡状态,地下水位也较高,使得这些地区经常处于季节性或长期的积水状态。

同时这里生长着特别喜湿的植被,特别是莎草科植物,它们是沼泽地的主要植物。沼泽地的结构主要由腐泥沼泽土或泥炭沼泽土和潜育层组成。有机质含量占比17%,保水性特别的强,可以说沼泽地的边缘的泥土层结构与之截然不同。环境、地质变化后的干燥期体积收缩53%。 然而之所以陷入沼泽之所以难以脱困,正是因为整个沼泽地结构都属于非牛顿流体的一种。

一旦陷入越是挣扎越是难以脱困,因为陷入者受到的阻力也会随之增加,这便是陷入沼泽的人和动物难以从中脱困的主要原因。正确的做法应当是将身体后仰,增大与沼泽地的接触面积以增加上浮力,然后缓慢地从淤泥中抽出双腿。这便是前面所提到的越是用力搅拌非牛顿流体受到的助力越大同理,当你的全身都位于沼泽面上时,在缓慢的爬出去或者在表面翻滚直至边缘硬化层。

当然了,非牛顿流体并不一定是遇强则强,因为有的非牛顿流体是剪切稀化,也就是受力越剧烈,阻力越小,黏性越低。以甜面酱、果酱等为例子,当我们想要倒出甜面酱或果酱时,用力晃动就会更容易倒出,这就是通过施加一个快速的力来让甜面酱和果酱变稀。

在生活中我们遇到的非牛顿流体也算是非常平常的一件事,就如淘洗土豆丝水底的淀粉沉淀后便是非牛顿流体。若想制作神奇的非牛顿流体,整个制作过程也十分地简单,碗里放水加入玉米淀粉、木薯粉等就可以轻松实现,前提是需要时间让淀粉沉淀完成后,将多余的水倒掉你就得到了一份非牛顿流体。