神奇的非牛顿流体

神奇的非牛顿流体

非牛顿流体是一类具有独特物理性质的流体，它们在受到外力作用时表现出不同于普通液体的行为。从日常生活中的食物到高科技产品，非牛顿流体的应用无处不在。本文将通过多个具体实例，为您揭示这种神奇流体的奥秘。

非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。
生活中常见的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团、以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料都是非牛顿流体。

吃软不吃硬

如果你往一盆水里加入大量淀粉，通过搅拌使之均匀混合，会得到一种非常浓稠的液体。接着，试着用力对液体打一拳，你会发现，拳头像打到固体一样被反弹回来.

水、酒精等低黏性的流体属于牛顿流体，无论用手怎么拍打它，黏度都不会发生改变；而混合后的淀粉溶液属于非牛顿流体，在外力作用下黏度发生了改变，所以出现了一拳打上去后变硬的现象。

淀粉微粒在混合物中分布均匀，当受到平缓的外力作用时，这些微粒有时间去移动，所以物体滑过时像是在液体上; 当受到突然施加的外力时，这些微粒没有时间移开，所以物体在上面像是在坚固的平面上。

射流胀大效应

如果非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。

我们都见过蛋糕店烘焙师傅做蛋糕，他们用一个裱花袋挤出一个个漂亮的形状。虽然袋子的出口很小，但挤出的奶油却比出口要粗很多。这是因为奶油也属于非牛顿流体，而这种膨胀现象正是来自于非牛顿流体的另一个特性——射流胀大效应，流体从管口挤出的速度越大，膨胀的程度也越大；而且，挤出的形状相较于管口的形状，也会稍微变化，如果管口是矩形，挤出来的就是膨胀的椭圆形。

爬杆效应

在一只有流体的烧杯里，旋转实验杆,流体不同,现象也不同。对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面将呈凹形；而对于黏弹性流体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。

当我们在街边买棉花糖时，制糖师傅会用一根棍子伸向机器的凹槽，再旋转棍子，机器内飘出来的糖丝会缠上棍子，然后自动向上“攀爬”，最后缠绕成球形的棉花糖。这就缘于非牛顿流体的一个特性：爬杆效应。糖浆，蜂蜜都属于非牛顿流体.

一个简单的实验是这样，在两个碗里分别倒入水和蜂蜜，并用两根筷子分别绕小圈搅动，你会发现，在搅动下，水面中心会下陷，而蜂蜜则会“爬上”筷子。

无管虹吸

对于牛顿流体来说，在虹吸实验时，如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就会停止。但对很多非牛顿流体来说，都很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器拨起时，可以看到虽然管子己不再插在液体里，液体仍源源不断地从杯中抽出，继续流进管里。

拉面技术高超的师傅可以将面团拉成一条条极细的面条，这就是因为非牛顿流体特性中的“无管虹吸”现象。你可以用针管在水中吸水，当你把针管抽出来，水流一下子就断了；如果水换成非牛顿流体，液体就不会被拉断，而会被带出水面，形成条状。

甚至更简单些，连虹吸管都不要，将装满该液体的烧杯微倾，使液体流下，该过程一旦开始，就不会中止，直到杯中液体都流光。

沼泽为什么越陷越深

当一个人陷入沼泽时，他越挣扎会陷得越深。因为沼泽也属于非牛顿流体，但与淀粉溶液正好相反，给沼泽施加的作用力越大，沼泽的黏度反而越小，导致人更容易陷进去。这种非牛顿流体属于“假塑性流体”，而淀粉溶液则属于“胀塑性流体”。番茄酱往往在摇晃几下之后更容易从瓶中流出，因为它也属于假塑性流体，同类流体还有牙膏、酸奶、笔芯中的墨水等。

神奇的非牛顿流体

利用非牛顿流体的特性可以制作很多高科技产品：

液体防弹衣

波兰一家公司利用非牛顿流体打造了一款液体防弹衣，这款防弹衣一旦被子弹射中，原本流动的液体会突然硬化、膨胀，对子弹冲击的抵抗力急剧增大，同时伴随着流体的体积膨胀，子弹的冲击力被均匀地分散开。以往的防弹衣即使没被子弹射穿，其产生的巨大冲击力也可能给人造成重伤，而这款液体防弹衣却能有效减小子弹对人体的伤害。

液体减速带

在许多道路上为了减缓车速，会设置一些减速带，提醒司机减速。一旦车辆碾过，会产生明显的震感；对于行车较慢的人来说，虽然震感较小，但同样会产生颠簸。于是，西班牙一家公司用非牛顿流体制成液体减速带，当司机把车速降低到一定程度，车碾过去就像碾过水一样，几乎感觉不到震动；而当车速较高时，减速带里的液体会瞬间变硬，和传统减速带一样，产生较大的震动。

参考文献:
吴望一．《流体力学》．北京．北京大学出版社．1982