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口香糖搓成圆椎体状真的能开椰子？（视频截图） |
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牙膏是典型的宾汉流体（资料图片） |
烈日炎炎的夏天，正是喝椰子汁、吃椰肉的好时节。这里有一个有趣的问题：如果手边只有榴莲、橡皮筋、口香糖三种东西，你觉得可以选择其中哪一种，能快速打开一只椰子呢？ 你可能想象不到，研究者会告诉你，用口香糖开椰子正是其中最为简单可行的方法。 如果你想知道这其中的原理，就需要好好了解一下非牛顿流体与牛顿流体的各种物质了。 胀流性流体：吃软不吃硬 ——口香糖、淀粉溶液、海滩上的湿沙、混凝土浆属于胀流性流体 用口香糖开椰子的正确姿势是什么呢？ 首先把几片没有嚼过的口香糖揉成一个圆锥形，然后尖端朝上，底部平放在桌子上，接着用手捧起椰子到一定高度，用力往口香糖上砸。我们会发现，口香糖不仅不会被砸扁，反而会把椰子砸出了一个洞。如此反复几次，椰子就能被破开。 口香糖究竟为何拥有如此神功？其实其中的原理就是——非牛顿流体原理。口香糖中有一种胶基的成分，属于非牛顿流体中的切力增稠流体，这种流体在大的外力作用下黏度会变大，且外力越大，黏度就越大。 当椰子以高速撞击口香糖时，口香糖黏度迅速增大，此时就表现得像固体一样坚硬，从而扎破椰子坚硬的外壳。而外力一旦撤出之后，它又会恢复成液体的性质。如果外力作用小而缓慢，它就会表现得和普通液体一样，具有流动性。它还真是一个吃软不吃硬的家伙。 这种流体在发生增稠时，体积会略微膨胀，所以切力增稠流体也叫胀流性流体。淀粉溶液、海滩上的湿沙、混凝土浆等都属于这类流体。 胀流性流体黏度的改变，和它内部的结构有关。即发生切力增稠时，流体内部便形成了某种结构。 胀流性流体通常为多相混合物，比如海滩上的湿沙，是沙子和水的混合物。在没有外力作用或者外力作用很小时，不规则的沙粒紧密堆积，水可以均匀地填充在沙粒之间的间隙中，起到润滑剂的作用。当有人一脚踩在沙子上，原本紧密堆积的结构被破坏，沙粒间产生“错位”便会使得体积增大；同时水被迫向周围运动，流动发生紊乱，阻力会增大，而沙子也因为失去润滑剂的作用，流动更加困难。所以，海滩上渗入海水的沙面比干沙子好走，就是因为湿沙的这种特性会使我们的脚更不容易陷下去。 宾汉流体：有时像固体，有时像液体 ——牙膏、洗面奶、护手霜等属于宾汉流体 既然有非牛顿流体，就必然有牛顿流体。剪切应力和剪切速率符合牛顿流体公式的流体都属于牛顿流体。水、空气都是牛顿流体，它们的剪切应力和剪切速率成正比关系。 只要是剪切力和剪切速率不符合牛顿流体公式的流体，都称为非牛顿流体。除了胀流性流体外，非牛顿流体还包括假塑性流体和宾汉流体。厨房中的各种酱料、油、高分子溶液、泥浆，乃至生物体内的血液、细胞液都是非牛顿流体。 宾汉流体的剪切应力和剪切速率也是成线性关系，但与牛顿流体不同的是，它有一个屈服应力，只有当外力大于屈服应力时它才会发生流动。 最典型的宾汉流体就是牙膏。在没有外力作用时，它看上去像固体。只有当我们用力挤牙膏时，它才会从管子里面“流”出来，被挤到牙刷上时，它也依然能够保持一定的形状而不会“趴”下去。如果不去挤它，即使你把牙膏管倒过来，它也不会流出来。 同样的，我们可以推测出，像洗面奶、护手霜之类的东西也是宾汉流体。建筑上用的油漆也需要设计成宾汉流体，我们既要求它在搅拌和涂刷时能够流动，同时也要求它在涂到墙上之后不会因为重力的作用而从墙上流下来，也就是说油漆的屈服应力应该大于自身重力。 同胀流性流体一样，宾汉流体也是一种多相混合物。一般认为，宾汉流体中的填充物形成了三维网状结构，这种结构具有一定的强度，能够抵挡较低的外力；当外力足够大时，三维结构被破坏，填充物才会随着溶剂一起流动。 假塑性流体：欺软怕硬 ——血液、岩浆、酸奶、番茄酱、洗发水属于假塑性流体 如果说胀流性流体吃软不吃硬，那么假塑性流体就是欺软怕硬的家伙。假塑性流体表现出来的性质和胀流性流体恰恰相反，在低剪切速率下黏度保持为常数，当剪切速率增大，黏度反而减小。也就是说给它施加的外力越大，它表现出来的黏度越小。所以它也叫做切力稀化流体。 很多高分子液体属于这类流体。流体的黏度可以理解为流体内分子之间的摩擦力，摩擦力越大，黏度就越大。高分子液体中的溶质是一种分子质量很大、结构很长的分子，在没有外力的情况下，它们通常呈卷曲状态，分子之间可能会相互缠结、碰撞，摩擦力比较大；当有外力存在时，卷曲的分子就会沿着剪切力的方向伸展开来，分子平行排列，相互之间的摩擦力就减小了，因而黏度也降低了。 血液、岩浆、酸奶、番茄酱、洗发水都属于假塑性流体。当我们缓慢搅拌酸奶或番茄酱的时候，会发现比较费劲，而搅拌得快了，反而会更加轻松，其实就是如上的道理。 假塑性流体还有一个很有趣的现象——凯伊效应。当一束高黏度的假塑性流体射向一个固体表面的时候，固体表面会把液束向上反弹回去。 仔细观察实验现象，不难发现，发生反弹的水流的下方总是积聚了一层流体，再结合假塑性流体的性质，整个过程应该是这样的：快速下落的液束对下方的黏性流体堆造成冲击，流体表面因为受到冲击力，黏度变小，受到撞击后形成一个酒窝状的凹坑，同时黏度降低的表面充当润滑剂的作用，最终使得下落的液束被反弹出去。 （来源 科学大院 公众号ID：kexuedayuan）
