不可思议的非牛顿流体

杨灰灰

国内某亲子节目中，节目组导演给小朋友们出了一个难题：如何用口香糖砸开椰子？只见小朋友们把口香糖捏成尖锥体，用力将椰子快速砸向口香糖，椰子便被砸开了。看到这一幕，你一定觉得节目组是为了节目效果而做的虚假实验。其实这是利用了非牛顿流体特性的实验。读完这篇文章之后，你会豁然开朗，甚至可能会迫不及待地想动手做这个实验呢。

牛顿流体VS非牛顿流体

想要了解非牛顿流体，首先我们得先知道流体是什么。流体是与固体相对应的物体形态，是液体和气体的总称，它的基本特征是没有一定形状和具有流动性。其流动行为由粘度决定，粘度越低越容易流动。

根据粘度特性，流体可以分为两种基本类型：牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体的粘度主要和温度有关，与施加的压力无关，在受到拍打或撞击时，其粘度不会发生改变，水、酒精等大多数纯液体、轻质油等均为牛顿流体。而非牛顿流体在受到某种力的时候，比如击打、撞击或者踩踏时，其粘度会发生改变，或是粘度降低变得更加容易流动，或是粘度增加变得像固体一样坚硬。高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体，比如番茄酱、蜂蜜。

说到这或许你仍然觉得有点困惑，难以区分两者的差别。想象一下，用脚踩踏水盆中的水，你不会感觉到水忽然变得像固体一樣，它始终是那个温柔的水，这就是牛顿流体。而非牛顿流体在受到某种力时会改变其粘度或流动行为。比如你用水和淀粉按照一定比例混合之后，就会形成非牛顿流体。用手搅拌它是液体，用拳头敲打却又像是固体！如果整个游泳池都是这种非牛顿流体，可能真可以实现“水上漂”呢！

非牛顿流体的类型

非牛顿流体可以分为非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。前者粘度和施加压力的大小有关，后者和施加压力的时间有关。

非时变性非牛顿流体，又分为假塑性流体和胀塑性流体。

假塑性流体的粘度随着施加压力的增加而降低。比如番茄酱。如果说你想从瓶子里取出番茄酱，却发现不容易直接倒出来。这时你会怎么做？你会摇晃或者击打瓶子。这样会使番茄酱的粘度降低，更容易流动，所以就更容易倒出来了。

胀塑性流体的粘度随着施加压力的增加而增加。比如“欧不裂”——这是玉米粉和水的混合物，类似于未煮熟的蛋奶冻。它本来是一种流动的粘液，一旦突然受到压力，会变得像固体一样坚固。比如你用锤子击打，它不会到处乱溅，而是会变得更加牢固。如果你把它放在手中滚动，会滚成一个坚硬的球，而一旦你停止滚动，它立即又会变成流动的液体，从你的指尖滑出。在这种情况下，这种物质的粘度或流动阻力会随着施加压力的增加而增加。

而时变性非牛顿流体，可以分为触变性流体和流凝性流体。触变性流体，施加压力时间越长粘度越低。比如蜂蜜，不断搅拌会使蜂蜜变得越来越顺滑。流凝性流体则相反，施加压力时间越长粘度越高。比如奶油，越打越稠。

了解非牛顿流体有什么用？

了解非牛顿流体，我们便可以明白，生活中许多看起来不可思议的现象都可以用科学解释。比如为什么口香糖能砸开椰子？为什么在沼泽中越挣扎陷得越深？因为口香糖是一种非牛顿流体，当突然受到较大的压力时，尖锥体的口香糖会变得像固体一样坚硬，便能砸开椰子。而沼泽也算是非牛顿流体，越搅拌越稀，就容易陷进去。

我们可以利用非牛顿流体的特性避免一些问题。比如说我们可以避免把房屋建在某些类型的黏土上。因为地震会对这种黏土施加压力，那么可能这些原本看似坚固的黏土在压力作用下粘度降低，变成流动的液体，如果房屋建在这种黏土之上，那将会有巨大的安全隐患。

同时，我们也可以利用这种流体的特性，不断改进产品。比如科学家正在研究用非牛顿流体制造高性能填充物，用于液体防弹衣中，显然这种新产品可能会更好地减轻负重和增加安全性能。

生活不缺少美，只是缺少发现美的眼睛。留心生活中有趣的现象，学会探索、发现，你可能就是下一个科学家。