非牛頓流體

樊永洪

用一條小小的口香糖便能打開十分堅硬的椰子？答案是：可以的.將剛剛打開包裝的口香糖卷起來，上部捏成尖狀，立在桌子上，將新鮮椰子的尾部對著口香糖的尖部猛砸下去，口香糖便像釘子一樣扎破椰子殼，我們便可以品嘗到鮮美的椰汁.口香糖和粘狀物體都是非牛頓流體，并且都具有外界所給的力越大、速度越快、反力也越大的特點.所以口香糖能扎進快速用力砸向它的椰子外殼.非牛頓流體是什么東西，具有什么樣的特性，又能給生產和生活帶來什么樣的變化呢？

一、非牛頓流體的概念

非牛頓流體是指，不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系.非牛頓流體廣泛存在于生活、生產和大自然中.絕大多數生物流體都屬于非牛頓流體.（1）人體身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體.（2）高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體.聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體.石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體.（3）食品工業中的番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆漿、熔化巧克力、面團、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體.由此可見，非牛頓流體就在我們身邊，只是我們不了解而已.

二、非牛頓流體的特性

非牛頓流體具有射流脹大、爬桿效應、無管缸吸或開口虹吸以及湍流減阻四個最主要的特性.

1.射流脹大.如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發現射流的直徑比毛細管的直徑大.

2.爬桿效應.1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院公開表演了一個有趣的實驗：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉實驗桿.對于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對于黏彈性流體，卻向杯中心流動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉速度很低時，也可以觀察到這一現象.在設計混合器時，必須考慮爬桿效應的影響.同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應.

3.無管缸吸或開口虹吸：對于牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止.但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都容易表演無管虹吸實驗.將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子已不插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續流進管里.甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光.這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎.

4.湍流減阻.非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻.人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降.湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題.然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現了減阻效應.雖然科學家對湍流減阻效應的原理尚未弄得很清楚，卻已有不錯的應用.在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上.應用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發生過程及其破壞作用，建筑工程中所用的防腐蝕和防火的涂料，就屬于非牛頓流體.當然，非牛頓流體還有其他特性，如拔絲性、剪切變稀、連滴效應以及液流反彈等.

三、非牛頓流體的應用

在生活和工業生產中常遇到的各種高分子溶液，熔體，膏體，凝膠，交聯體系，懸浮體系等復雜性質的流體，差不多都是非牛頓流體.實際上，我們已經利用非牛頓流體的上述特性，使之服務于生產、生活以及安全防護.例如，有時為了工業生產的目的，在某種牛頓流體中，需加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將變成為非牛頓流體，如為提高石油產量使用的壓裂液，新型潤滑劑等；因為非牛頓流體具有爬桿效應的特點，所以在建筑工程中，商品混凝土的運輸泵的設計也應考慮和利用這一效應；建筑工程中的防火、防腐蝕涂料、以及混凝土中的各種添加劑等都是非牛頓流體.據有關資料表明，已經有人開始著手研究非牛頓流體防彈衣了.泥石流也屬于非牛頓流體.我相信，隨著科技的進步，人們會研究出降低泥石流下滑速度或控制其滑動方向的方法，以便保護人民群眾的生命財產安全.隨著社會的進步以及人們對非牛頓流體進一步的認識和了解，它們會在生產、生活以及安全防護中扮演更加重要的角色.