不可思議的非牛頓流體

楊灰灰

國內某親子節目中，節目組導演給小朋友們出了一個難題：如何用口香糖砸開椰子？只見小朋友們把口香糖捏成尖錐體，用力將椰子快速砸向口香糖，椰子便被砸開了?？吹竭@一幕，你一定覺得節目組是為了節目效果而做的虛假實驗。其實這是利用了非牛頓流體特性的實驗。讀完這篇文章之后，你會豁然開朗，甚至可能會迫不及待地想動手做這個實驗呢。

牛頓流體VS非牛頓流體

想要了解非牛頓流體，首先我們得先知道流體是什么。流體是與固體相對應的物體形態，是液體和氣體的總稱，它的基本特征是沒有一定形狀和具有流動性。其流動行為由粘度決定，粘度越低越容易流動。

根據粘度特性，流體可以分為兩種基本類型：牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體的粘度主要和溫度有關，與施加的壓力無關，在受到拍打或撞擊時，其粘度不會發生改變，水、酒精等大多數純液體、輕質油等均為牛頓流體。而非牛頓流體在受到某種力的時候，比如擊打、撞擊或者踩踏時，其粘度會發生改變，或是粘度降低變得更加容易流動，或是粘度增加變得像固體一樣堅硬。高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體，比如番茄醬、蜂蜜。

說到這或許你仍然覺得有點困惑，難以區分兩者的差別。想象一下，用腳踩踏水盆中的水，你不會感覺到水忽然變得像固體一樣，它始終是那個溫柔的水，這就是牛頓流體。而非牛頓流體在受到某種力時會改變其粘度或流動行為。比如你用水和淀粉按照一定比例混合之后，就會形成非牛頓流體。用手攪拌它是液體，用拳頭敲打卻又像是固體！如果整個游泳池都是這種非牛頓流體，可能真可以實現“水上漂”呢！

非牛頓流體的類型

非牛頓流體可以分為非時變性非牛頓流體和時變性非牛頓流體。前者粘度和施加壓力的大小有關，后者和施加壓力的時間有關。

非時變性非牛頓流體，又分為假塑性流體和脹塑性流體。

假塑性流體的粘度隨著施加壓力的增加而降低。比如番茄醬。如果說你想從瓶子里取出番茄醬，卻發現不容易直接倒出來。這時你會怎么做？你會搖晃或者擊打瓶子。這樣會使番茄醬的粘度降低，更容易流動，所以就更容易倒出來了。

脹塑性流體的粘度隨著施加壓力的增加而增加。比如“歐不裂”——這是玉米粉和水的混合物，類似于未煮熟的蛋奶凍。它本來是一種流動的粘液，一旦突然受到壓力，會變得像固體一樣堅固。比如你用錘子擊打，它不會到處亂濺，而是會變得更加牢固。如果你把它放在手中滾動，會滾成一個堅硬的球，而一旦你停止滾動，它立即又會變成流動的液體，從你的指尖滑出。在這種情況下，這種物質的粘度或流動阻力會隨著施加壓力的增加而增加。

而時變性非牛頓流體，可以分為觸變性流體和流凝性流體。觸變性流體，施加壓力時間越長粘度越低。比如蜂蜜，不斷攪拌會使蜂蜜變得越來越順滑。流凝性流體則相反，施加壓力時間越長粘度越高。比如奶油，越打越稠。

了解非牛頓流體有什么用？

了解非牛頓流體，我們便可以明白，生活中許多看起來不可思議的現象都可以用科學解釋。比如為什么口香糖能砸開椰子？為什么在沼澤中越掙扎陷得越深？因為口香糖是一種非牛頓流體，當突然受到較大的壓力時，尖錐體的口香糖會變得像固體一樣堅硬，便能砸開椰子。而沼澤也算是非牛頓流體，越攪拌越稀，就容易陷進去。

我們可以利用非牛頓流體的特性避免一些問題。比如說我們可以避免把房屋建在某些類型的黏土上。因為地震會對這種黏土施加壓力，那么可能這些原本看似堅固的黏土在壓力作用下粘度降低，變成流動的液體，如果房屋建在這種黏土之上，那將會有巨大的安全隱患。

同時，我們也可以利用這種流體的特性，不斷改進產品。比如科學家正在研究用非牛頓流體制造高性能填充物，用于液體防彈衣中，顯然這種新產品可能會更好地減輕負重和增加安全性能。

生活不缺少美，只是缺少發現美的眼睛。留心生活中有趣的現象，學會探索、發現，你可能就是下一個科學家。