非牛頓流體在緩沖帶制作方面的應用探究

張懿德 樊新梅 沈朱蔚 朱文宇

摘 要：近年來，非牛頓流體材料憑借特殊的流變性能得到廣泛的應用。為了探索非牛頓流體的應用，在研究非牛頓流體的特性及發展的基礎上，項目小組同學通過實驗研究非牛頓流體材料在緩沖帶制作方面的應用。

關鍵詞：非牛頓流體;流變性能;緩沖帶

在一個綜藝節目中，主持人提出如何運用口香糖道具將椰子砸開，當小朋友將口香糖捏成尖錐體快速扎向椰子，椰子被砸開了。這一幕讓在場嘉賓都驚呆了：看似軟軟的口香糖居然可以將外殼堅硬的椰子砸開！有點不可思議。這就是利用了非牛頓流體的神奇特性，那么非牛頓流體是什么呢？

先介紹一下非牛頓流體理論的來源：英國科學家牛頓通過設計一個以水為工作介質的一維剪切流動實驗，據此得到了牛頓黏性定律。基于此斯托克斯將三項條件進行理想化假設，進而導出了在流體力學研究方面得到廣泛應用的線性本構方程及得到普遍應用的納維斯托克斯方程。隨后人們進一步了解到前人的兩個基礎性研究適用于低分子量，例如空氣和水等，但對于高分子量的流體而言，剪應力與相應的剪切應變率之間則不存在線性關系，符合非牛頓流體的特性。非牛頓流體在生活中是普遍存在的，甚至絕大多數生物體內的液體以及多數食品、工業中的液體都是非流頓體。

近年來隨著聚合物工業的快速發展，非牛頓流體的研究也有了較大的進展。專家學者不斷地研究非牛頓流體的性質，發現非牛頓流體具備無管虹吸、湍流減阻、爬桿效應、射流脹大、液流反彈等特性。

緩沖帶作為交通道路網絡中的重要部件，在設計時除了要考慮密封、制造工藝、平面厚度以及外觀與道路系的協調性。盡可能保證緩沖帶在長時間受到高強度的沖擊下，有最小程度的損壞，進而保障交通網絡的持續健康運行。因此緩沖帶結構的設計與改進對交通網絡的健康運行有著至關重要的作用。

非流頓體在外力沖擊下會改變其粘度或流動性，當受到緩慢、柔和的外力作用時，呈現柔軟的液態，因此產生的阻力也較小;當受到劇烈的外力作用時，呈現出堅硬的狀態，產生較大的阻力，甚至出現堅硬的固體狀態。基于此特性，創新項目小組的同學將緩沖帶中間鏤空化設計，將非牛頓流體填入中間。項目組同學通過實驗來探究緩沖帶填充液的配制。通過多次實驗，進行材料的制作以及減速性能測試。

首先合理籌備該項目的制作道具，以盡可能減少成本，提高緩沖帶制作水平及緩沖帶的質量;組長分配好項目組各個成員的工作。

在配制填充液的過程中，通過調節緩沖液的比例發現，防凍液、淀粉、水以1：3：2比例進行配置得到的緩沖液濃度最合適。但通過對項目的進一步實驗研究，發現按該比例配置好的緩沖液，在靜止放置一段時間之后，會產生溶液分離的現象，水和淀粉會出現分離。項目小組的同學通過查閱書籍文獻以及各種網絡資源，最終通過資料了解到，水和淀粉出現分離是因為溶液的穩定性不好，可以通過增加食用油來增加溶液的穩定性。當水、油和淀粉同時存在的情況下，可以最大程度地降低溶液的分離程度。溶液穩定性不好的問題得到了較好的解決。

接下來在暑假里的一個月中，團隊組員在實驗中發現溶液會因為高溫腐壞。原因是在高溫天氣情況下，淀粉的存在使溶液容易產生變質。雖然找到了問題，但是依舊沒有解決實際問題的辦法。雖然實驗條件下緩沖液可以放進冰箱保鮮，不產生變質。但考慮到實際高溫天氣的情況下，對緩沖帶單獨冷存難以實現，所以這個方法不可行。經過多次實驗以及資料的查閱，始終不能讓它保持新鮮。緩沖材料因高溫腐壞暫停進展，小組成員又嘗試了多種材料和多種方法，加入大量的油雖然可以使溶液在一定程度上防止腐敗，但是油的加入會降低溶液的冰點，使溶液在寒冷的環境容易變硬。高溫的問題使流體出現變質或者發臭等問題，嚴重影響了溶液的穩定性，這對于緩沖帶的實際使用也有較大的限制。經過借閱書籍，上網查找等各種辦法，發現山梨酸鉀可以較有效地解決高溫這個問題。緩沖液配料上加入了一些非牛頓流體，使它完全溶解于水中，然后再適當的加入了高錳酸鉀，提升溶液穩定性。

經過反復實驗，找到了適合制作緩沖帶需要的緩沖液配料及比例，按照指標進行緩沖帶的制作。解決了利用非牛頓流體配制緩沖液的配制問題之后，開始探究思考該如何將非牛頓流體轉入實物應用之中，制作可用的緩沖帶成品。

在制作過程前，項目小組成員聚集在一起頭腦風暴，列舉了很多計劃在制作材料上，由于成品必須要經過試驗得到論證，必須要準備厚實并且牢固的材料來填充非牛頓流體，在經過討論之后，初步決定使用橡膠管來填充溶液。

在制作成品前期，小組成員們進行了小型非牛頓流體實驗，測量按比例制作溶液需要多少材料，在經過小容量多次運用試驗之后，把握制作非牛頓流體的控制用量，對非牛頓流體效果進行小范圍探索。經過對非牛頓流體的研究，發現它的作用遠非如此，在完成緩沖帶后會繼續對非牛頓流體展開探究。

在探索過程中小組成員也遇到了新的問題，比如之前理論分析確定的填充方式實際中實施起來有難度，需要優化裝填方式。在非牛頓流體制作完成后，項目小組成員按前面計劃進行開始制作盛放緩沖液的外部材料，在購買材料之后，小組成員遇到很多問題，例如材料并沒想象中的厚實，容易導致非牛頓流體泄露，因為材料大小的不足，導致填充的非牛頓流體后的成品并不能作為緩沖帶進行實驗，材料的問題和制作上的不足，導致制作成品遇到困難。

只能夠使用新的一些構思來制作緩沖帶。購買不同的材料，然后再次對比第一次的制作過程，觀察如何優化制作方法，改進緩沖帶的模型。同時，經歷過上次的失誤，這次調整改變裝填方法，改為分段裝填，發現這樣做既有助于加快裝填速度，又方便檢查維修。

改進方案之后，小組成員加快了進程，小組成員將之前的緩沖帶的外觀加以改進，使用了一些噴漆，進行一些精加工，做成了緩沖帶模型。通過實驗測試，檢驗緩沖帶的緩沖效果，使牛頓流體在緩沖帶的使用上更加合理化。在結束了緩沖帶的制作后，根據之前多次試驗，這次使用了螺絲將緩沖帶模型的兩邊封住，完成了緩沖帶最后的一步。

通過此次創新項目，探究了如何提升緩沖帶的功能性以及安全性。制作此次項目過程中，遇到了很多的問題與困難，小組成員虛心學習并探索，經過了很多嘗試，嘗試了各種材料進行了多次制作，最終完成了任務。在這次歷經幾個月的項目實施過程中，項目小組同學明白了一個道理，要勇于創新，勤于發現，才能不斷發現新的知識。

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