生活中的怪异流体.doc

生活中的怪异流体很多事物在相同的条件下,表现却会完全相反,例如流体(能够流动的物质),有的流体越搅越稀薄,有的却越搅越粘稠,有的在这种情况下越搅越稀,在另一种情况下,行为就完全变了个样!而且这样的怪异现象时时就在我们身边发生着。水是地球上最常见的流体很纯的水不在上述怪异流体的圈子里,我们无论如何搅动水,它都不会变稀薄也不会变粘稠。但是表现怪异的流体却往往有水的参与!流体是生活中十分常见的一种物理现象，是液体和气体的总称，是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状和具有流动性。流体都有一定的可压缩性，液体可压缩性很小，而气体的可压缩性较大，在流体的形状改变时，流体各层之间也存在一定的运动阻力（即粘滞性）。当流体的粘滞性和可压缩性很小时，可近似看作是理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。 流体虽然是我们生活中司空见惯的东西，但对于那些细心观察的朋友，流体就不在是简单的一种流动现象。相反，它的一些性质完全违背我们的常识，它的一些现象也是堪称怪异。下面就是我们小组收集的生中与流体有关的怪异现象。 流体之所以能呈现出如此多的怪异现象，与流体本身的性质是密不可分的，我们在生活中所接触的流体（水），大多是牛顿流体（牛顿流体是指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体）。然而，就好像爱伊斯坦发现牛顿力学的时空观并不能使用于高速物体一样，生活中也有一些流体并不在牛顿的管辖之下，他们就是非牛顿流体。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。绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。先让我们认识一下飞牛顿流体。非牛顿流体可以分为三大类，即非时变性非牛顿流体、时变性非牛顿流体、粘弹性流体（如下图）一. 流变性与时间无关的非牛顿流体（1）塑性流体1.流变方程（宾汉公式）： 特点：2.塑性流体的流变性与牛顿流体不同，受力后，不能立即变形流动。3.流动初期切应力与速度梯度之间呈曲线关系，粘度随切应力增大而降低，随速度梯度的增大，切应力逐渐减弱，最后接近牛顿流体，成直线关系，流体的粘度不再随切应力的增加而变化，称为塑性粘度。4.塑性流体存在两个极限应力极限静切应力-使塑性流体开始流动的最小切应力。极限动切应力-塑性流体流变曲线直线段的延长线与横坐标轴的交点对应的切应力，是塑性流体流动时经常克服的与粘度和速度梯度无关的定值切应力。5.塑性流体的塑性粘度和视粘度塑性粘度- 与液体内部网状结构有关。流体内部出现相对速度以后，由于内部网状结构遭到拆散，网状结构的拆散程度随切应力的增加而增加，粘度随切应力的增加而降低。随着网状结构拆散程度增加，可供拆散的网状结构减少，拆散速度也变小。同时由于被拆散的网状结构增加了，彼此之间重新恢复网状结构的机率增加。当拆散速度与重新恢复速度相等时，成为平衡状态，粘度将保持常数，即流变曲线上的直线段部分，这个稳定的粘度称为。视粘度- 为了便于同牛顿流体相互比较 -视粘度随剪切速率变化。（2）假塑性流体的特点受力后立即流动，流变曲线经原点，因其结构性较弱，随着剪切速度的增加，网状结构被破坏，质点的相互位置得到调整，并顺着流动方向定向，导致施加于流体的切应力相互减少，从而使流变曲线凹向切应力轴，粘度下降，愈拌愈稀，这种特性称为剪切稀释性。（3）膨胀流体的特点受力后立即流动，流变曲线经原点。所含颗粒形状极不规则，静止时紧密排列的颗粒嵌入邻近层的空隙中，流动后随着剪切速度的增加，中间层颗粒来不及嵌入邻近的空隙中就被稳定推过，因而发生膨胀，粘度增加，即愈拌愈稠。这种特性称为剪切增稠性。停止剪切后马上恢复，流变曲线凸向切应力轴。二 . 流变性与时间有关的非牛顿流体（1）触变性流体在一定剪切速度下，随时间增加而切应力下降，即粘度降低，由稠变稀，达到某时刻以后，切应力不再变化，形成动平衡。 触变性流体 震凝性流体（2）震凝性流体在一定剪切速度下，随时间增加而切应力上升，即粘度增加，由稀变稠，达到某时刻以后，切应力不再变化，形成动平衡。三 . 粘弹性流体粘弹性流体既具有粘性，又具有弹性。表现为自漏斗流出后，流束变粗，发生膨胀；搅拌时如停止搅拌表现有弹性反转，其粘度用一般粘度计无法测定。认识了这么多非牛顿流体的性质 那它与我们的生活有什么关系呢。早在人类出现之前，非牛顿流体就己存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”，都属于非牛顿流体。近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一，是聚合物工业的发展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等，都是非牛顿流体。 石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液、磁浆、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛顿流体。非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、菜汤、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。综上所述，在日常生活和工业生产中，常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体。有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，加入一些聚合物，在改进其性能的同时，也将其变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等。现在也有人将血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的液体，牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物（聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等）溶液等非牛顿流体，称为软物质。下面便是一些生活中的流体：超级护甲-液体防弹衣液体防弹衣，的主要成分是一种特制“抗剪稠密液体”（STF），该物质含有大量悬浮在无毒聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。据负责该型研发项目的埃利项目的埃利克魏特兹尔博士介绍，正常情况下STF就像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹头触到它，这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过。英国布里斯托尔国防航空业巨头BAE系统公司的一个科学家小组开发出这项创新技术，利用被戏称为“防弹奶蛋糊”的物质，已经制成一种液体防护衣，这种防护衣在受压后会自动变硬，吸收撞击在它表面的弹片产生的冲击力。 当抗剪稠密液体受到冲击时，组成这种材料的分子的结合方式，跟奶蛋糊类似。用汤匙搅动奶蛋糊的例子，是这项技术的最好解释。汤匙搅奶蛋糊时，会感觉汤匙受到了阻力。当液体防护衣里的液体成分结合在一起时，你会感到明显的阻力。你搅拌的越快，奶蛋糊变得就越硬，因此当子弹高速撞上该材料时，它会迅速变硬，吸收撞击产生的冲击力。” 英国科学家利用被戏称为“防弹奶蛋糊”的物质，已经制成一种液体防护衣，这种防护衣在受压后会自动变硬，吸收撞击在它表面的弹片产生的冲击力。研究人员把他们推导出来的一个秘密化学公式与传统的凯芙拉纤维结合，制成这种“超级护甲”。当这种衣物的粘性物质与传统的凯芙拉纤维粘贴在一起，可以吸收子弹产生的冲击力，并通过变稠，对撞击做出反应。他们希望利用这种物质，为前线的士兵制作更轻、韧性更好和更有效的防护背心。专家之所以会将这种液体称作“防弹奶蛋糊”，是因为它的分子的结合方式和“变稠”方式，跟搅拌中的甜点奶蛋糊一样。舞动的玉米糊生活大爆炸第二季，第三集中有一段玉米糊在音响上跳舞的片段，引起我们的好奇，为什么液体玉米糊会在声波下像有生命一般，凝结成团，跳动。 字幕告诉我们答案，玉米糊是一种非牛顿流体，与我们所学的大学物理中介绍的牛顿流体性质上有很大的不同。我们在网上查找到了很多相关的视频，其过程大多如此：用鲜膜包住低音炮喇叭口，倒上玉米糊，打开音乐，伴随着音箱的振动，液体真的开始凝结、扭动，还会高高站立起来，就像是随音乐起舞的精灵；关掉音乐，瞬间又变回了一摊糊状物。还发现，在搅拌玉米淀粉糊的时候，有一个奇怪的现象，越用力越搅不动，必须柔缓地搅动，不仅如此，虽然看起来是黏糊糊的液体，但如果用筷子使劲戳，会有种戳在板砖上的感觉，根本下不去，轻轻地插，方能直达杯底。 这对于见惯了液体固体的我们的确很新奇，但了解到非牛顿流体的一般性质就能比较轻松地理解了。非牛顿流体是一种流体力学中的概念，与牛顿流体相对，作用于液体微元上的摩擦应力除与当前的运动状态外还与液体过去的运动状态有关，也就是说，此种液体有记忆效应，它的受力变化过程也就“缓慢”，我们能看见它连续的变化过程，因此它能在声波中跳舞一般地舞动。而且当搅拌非牛顿流体时会出现一个能一直维持形状的“洞”，呈现出一定“固体”的性质。作为生活中最常见的非牛顿流体，我们可以在家自己制作，买一包玉米淀粉，按12的比例加入水，调成黏糊糊的液体就完成了。沙漠死神流沙上涨的地下水减小了沙粒之间的摩擦力，使得沙子开始“流动”，从而形成了流沙。当一片散沙带的水分达到饱合时，普通沙子就会翻滚起来，从而形成流沙。如果被沙子捕获的水分无法从中脱离，就会形成液化土，液化土无法再承受重量。有两种方式可使沙子的翻滚程度增加，最终形成流沙。流动的地下水水流向上流动产生的力克服了重力，使得沙粒更易漂浮。地面振动产生的力可以增加浅层地下水的压力，从而使沙子和淤泥沉积发生液化。液化的表面不再具有支撑能力，因此地面上的建筑物或其他物体会发生下沉或倒塌。据新南威尔士地质调查局的拉里巴伦(Larry Barron)博士介绍，振动会增加流动性，因此原来相当坚固的物质会变得柔软，并具有可流动性。振动和水形成的障碍减小了沙粒之间的摩擦力，使得沙子变得像液体一样。为了弄明白流沙，您先要了解液化过程。据犹他州地质调查局介绍，土壤液化时，就变得和流沙一样失去了支撑力，并且表现得像粘性液体而不是固体。在地震过程中，液化会造成建筑物大幅度沉入地下。虽然流沙可以发生在几乎任何有水的地方，但是在某些地方流沙出现得尤为频繁。最容易发生流沙的地方包括：河堤、海滩、湖岸线、地下泉附近、沼泽。但是如果有足够的水分冲入其中，沙滩上的沙子很容易变成流沙。如果过量的水分流入沙地，会造成沙粒间的相互分离。沙粒分开会使地面变得松散，沙地上的任何重物都将陷到里面去。荷兰阿姆斯特丹大学的柏恩在一次前往伊朗的度假旅行之中，遇见过一位当地牧羊人。他指着流沙告诉柏恩，村里曾有骆驼陷下去后就立即消失。柏恩对此将信将疑，回国后就立即对此展开研究。他仔细观看和分析了数十部描述到流沙噬人场景的电影，发现这些电影对流沙的描述根本就是错误百出。后来，柏恩在实验室里将细沙、黏土和盐水混合在一起，重建一个微型室内流沙模型来进行研究。经过反复实验，柏恩领导的科研人员发现，要把沙子变得像太妃糖一样黏需要好几天时间，但要让它失去黏性则很容易，只要在其表面施加适当的压力即可。一旦流沙表面受到运动干扰，就会迅速“液化”，表层的沙子会变得很松软，浅层的沙子也会很快往下跑。这种迁徙运动使得在流沙上面运动的物体下沉，然而，随着下沉深度的增加，从上层经迁徙运动掉到下方底层的沙子和黏土逐渐聚合，便会创造出厚实的沉积层，使沙子的黏性快速增加，阻止了物体进一步下陷。研究还发现，当物体陷入流沙后，下陷速度要视物体本身的密度而定。流沙的密度一般是2克/毫升，而人的密度是1克/毫升。在这样的密度下，人类身体沉没于流沙之中不会有灭顶之灾，往往会沉到腰部就停止了。研究者还发现，即便是一些密度比流沙大很多的物体，也能浮于流沙之上。在实验中，研究人员将一个密度为2.7克/毫升的铝盆置于流沙的顶部，尽管其密度大于流沙，但由于受流沙浮力和沙面张力的影响，铝盆仍能平静地呆在流沙的表面。当科学家开始轻轻晃动这个铝制容器时，情况发生了变化，容器稍稍下陷了一点，当他们加大力度摇晃时，这个容器慢慢沉入沙底。研究认为，陷入流沙的人一般都动不了，密度增加以后的沙子粘在掉进流沙里的人体下半部，对人体形成很大的压力，让人很难使出力来。即使大力士也很难一下子把受困者从流沙中拖出来。经研究人员计算，如果以每秒钟一厘米的速度拖出受困者的一只脚就需要约10万牛顿的力，大约和举起一部中型汽车的力量相等。所以除非有吊车帮忙，否则很难一下子把掉进流沙的人拉出来。研究还指出，照这种力量的计算，如果生拉硬扯，那么在流沙“放手”前，人的身体就已经被强大的力量扯断。此举所造成的危险远高于让他暂时停在流沙当中。取自撒哈拉大沙漠的流沙样品是由沙子和盐水混合构成的半固体状态，这些颗粒松散地堆积在一起。沙粒堆积起来，使其有了看似稳定的表面，但即便是承受很小的压力，流沙的整体框架便会立即塌陷。浓厚的“沙浆”堆积在底层，它能粘住所有的物体，使其动弹不得；而流沙中的超细颗粒更是危险它使流沙具有使人致死的巨大夹紧力。如果陷入流沙中，最明智的做法是不要在流沙中挣扎，而是耐心而轻微地来回倒脚，使“沙浆”松散开来，不要紧紧地粘住你。如果撒哈拉大沙漠确实有骆驼被流沙吞没，波恩相信，肯定是骆驼拼命挣扎着要逃出来，结果是被流沙完全淹没。非牛顿流体的奇妙特性及应用射流胀大（1）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。射流的直径与毛细管直径之比，称为模片胀大率（或称为挤出物胀大比）。对牛顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.881.12之间。而对于高分子熔体或浓溶液，其值大得多，甚至可超过10。一般来说，模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。模片胀大现象，在口模设计中十分重要。聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出时，管截面长边处的胀大，比短边处的胀大更加显著。尤其在管截面的长边中央胀得最大。因此，如果要求生产出的产品的截面是矩形的，口模的形状就不能是矩形，而必须是四边中间都凹进去的形状。这种射流胀大现象，也叫Barus效应，或Merrington效应。图 1 奶酪生产情景：奶酪从管中流出后马上胀大爬杆效应（2）1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆。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。爬杆效应也称为Weissenberg效应。在设计混合器时，必须考虑爬杆效应的影响。同样，在设计非牛顿流体的输运泵时，也应考虑和利用这一效应。图 2 爬杆效应实验：左为牛顿流体，右为黏弹性流体无管虹吸（3）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。但对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的轻微凝肢体系等，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。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。这种无管虹吸的特性，是合成纤维具备可纺性的基础。图 3 无管缸吸：对于化纤生产有重要意义湍流减阻（4）非牛顿流体显示出的另一奇妙性质，是湍流减阻。人们观察到，如果在牛顿流体中加入少量聚合物，则在给定的速率下，可以看到显著的压差降。湍流一直是困扰理论物理和流体力学界未解决的难题。然而在牛顿流体中加入少量高聚物添加剂，却出现了减阻效应。有人报告：在加入高聚物添加剂后，测得猝发周期加大了，认为是高分子链的作用。减阻效应也称为Toms效应，虽然其道理尚未弄得很清楚，却己有不错的应用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。应用高聚物添加剂，还能改善气蚀发生过程及其破坏作用。图 4 湍流减阻：在同样动力下两幅消防水龙头喷水。上图为未添加聚乙烯氧化物的情形，下图为添加聚乙烯氧化物后的情形非牛顿流体除具有以上几种有趣的性质外，还有其他一些受到人们重视的奇妙特性，如拔丝性（能拉伸成极细的细丝），剪切变稀，连滴效应（其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连），液流反弹等。由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量，也涉及人本身的生活和健康，所以越来越受到科学工作者的重视。1996年8月在日本京都国际会议中心，召开的第19届国际理论与应用力学大会（IUTAM）上，非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一，也是流体力学方面参与最踊跃的主题。Grochet邀请报告的观点是，高分子溶液和熔体的特性远异于牛顿流体，并认为对这些异常特性的研究，都是带有挑战性的课题。总之，生活中流体无处不在，科学也无处不在，只等待我们的探索与发现。参考文献：【1】非牛顿流体力学及其应用沈崇棠 刘鹤年【2】非牛顿流体力学陈文芳【3】非牛顿流体研究进展及发展趋势刘海燕 庞明军 魏进家【4】非牛顿流体力学简介及发展丁鹏 闫相祯 【5】物理教学