舌尖上的非牛顿流体

力学纵横

舌尖上的非牛顿流体

姜 楠1)田 砚
(天津大学机械工程学院力学系，天津300354)

从流变学的角度，介绍了多种食品中非牛顿流体的挤出膨大、剪切变稠、剪切变稀、拉丝效应等奇妙的特性，以及这些性质在日常生活和工业生产中的应用.

非牛顿流体，挤出膨大效应，剪切变稠，剪切变稀，拉丝效应

新春佳节是合家团圆的日子.当一家人围坐餐桌前，共享天伦之乐，欣赏美味佳肴的时候，你是否会想到，这琳琅满目的美食中也包含了丰富的流变学知识呢？下面给大家做简单的介绍.

1 机器挤出的面条为什么会变胖？

初一饺子初二面，我是北方人，喜欢吃面食，其中面条是我的最爱，为此春节前专门买了一台面条机，打算自己轧面条.面条机有多种模具，有圆的，有扁的，有粗有细，可以根据自己的喜好选择.我选择了直径1.80毫米细孔的模具，可挤出面条一看，面条显然比模具直径1.80毫米的细孔粗得多，将近2.90毫米(见图1)，这是怎么回事呢？原来这是非牛顿流体的挤出膨大效应[1].面粉中含有大量的蛋白质、淀粉、纤维素等高分子物质，很多高分子物质都具有挤出膨大效应.高分子物质在没有受到外力时，其中的分子链蜷缩成小团，一旦施加了外力作用，分子链就沿着外力方向舒展开.面粉与水混合成小面团，小面团被螺杆压入模具小孔，高分子物质的分子链受到螺杆推力，被迫沿着小孔方向取向，分子链储存了一定的弹性势能，取向过程的时间很短，由于高分子的黏弹性，一旦面条脱离了模具小孔，压力消失，这种取向作用就消失了，分子链的弹性势能释放，就产生回弹效应，宏观上表现为面条就要胀粗一些.看来面条机模具设计者还不懂挤出膨大效应的原理，面条机模具的小孔应该设计得再小一些.在制作裱花蛋糕的时候，也可以看到挤出奶油或者奶酪的小孔很小，但挤出的奶油或奶酪条却比小孔粗，这也是挤出膨大效应(见图2).

图1 面条机将面条挤出模具小孔

图2 奶酪挤出膨大效应

高分子物质的挤出膨大效应在高分子材料的生产中是特别需要考虑的重要因素[2]，特别对于产品模具的设计十分重要.在高分子线材的生产中，根据挤出物的胀大系数，模具的孔径一定要比所生产的线材的直径要小，才能生产出合格的线材.如果按照设计线材的直径加工模具的孔径，则生产出的线材一定比设计的直径粗.在生产矩形截面的产品时，聚合物熔体从一根矩形截面的模具口流出，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(图3)[3].

图3 矩形截面挤出模具的形状

2 肉馅为什么越搅拌越费力？

略同汤饼赛新年,

荠菜中含著齿鲜,

最是上春三五日,

盘餐到处定居先.

这是清代何耳写的《水饺》诗.明《宛署染记·民风土俗》也记载：“时元旦，作扁食，奉长上为寿.”北方过年家家户户都要包饺子，包饺子和馅时会发现，向同一个方向搅拌肉馅，特别是羊肉馅，肉馅会越搅越稠，越搅越费力.这是因为肉馅也是非牛顿流体，具体来讲是剪切变稠流体.这类非牛顿流体的黏度随流速梯度增大而增大，这是因为当颗粒浓度很高并接近最紧密排列时，两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，需消耗额外能量.当流速增加而使颗粒动能增高时，产生絮凝，也使黏度增大[4].食品中有很多剪切变稠的流体，例如芝麻酱、肉糜、淀粉浆、面糊等.吃凉拌菜少不了芝麻酱，如果用筷子快速搅拌芝麻酱时，就会发现它越搅越黏稠，感觉到有很大的阻力(图4).所以搅拌这类物质，需要逐渐添加适量的水降低它的黏度.

剪切变稠在工业上也有重要的应用，有人发明了“剪切增稠液”(shear thickening f l uid,STF)，将极其细小的纳米球形微粒(如SiO2球形微粒)混入到不挥发、流动性好的无毒液体中，形成悬浮液或凝胶.这种流动性很强的液体和坚硬的微粒结合后，即能形成性能非比寻常的剪切增稠液体.这种新型液态材料平时非常容易变形，纳米级硬质粒子呈悬浮状态；然而，一旦受到冲击，在碰撞点原先呈悬浮状态的硬质纳米粒子便会骤然聚集成微粒簇，从而使剪切增稠液体在瞬间变得十分坚硬，阻止致命冲击对人体的伤害.当子弹高速撞击这种材料时，“剪切增稠液”防弹衣就会吸引撞击能量，并迅速变得极其坚硬.利用这种具有剪切增稠特性的液体也可制作多种人体防护装备，这些防护服装和服饰主要是用来防止和减少运动物体的冲击、穿刺、切割、撕裂、拉伸所带来的伤害和损害，拥有防冲击、防破片、防刃刺、防锥刺、防针刺、防切割、防砍、防砸、防链锯切割和防飞溅等功能.STF防护服平时穿用非常柔软舒适，一旦遭到砍刀、匕首等利物砍、刺，破片冲击，就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速分散开来，大大降低单位面积的压强.当冲击力消失之后，剪切增稠液又恢复液体状态，织物也重新变软.

图4 剪切变稠——搅拌芝麻酱(扫描可观看视频)

英国BAE系统公司研制出一种液体防弹衣[5].这一具有革命性的发明就是采用“剪切增稠液”的液体，该液体在受到子弹冲击时会变硬从而起到阻挡子弹的作用.新型液体防弹衣(图5)可以为士兵提供史无前例的有效保护，同时又能保证他们自由灵活地运动，不再受到笨重的传统防弹衣的限制.“剪切增稠液”还可喷涂于两层芳纶1414织物之间，制成超强超薄防弹衣.本来芳纶1414材料的强度就是钢铁的5倍，因此它也被认为是标准的防弹衣材料.现在，这种新型超强超薄防弹衣比普通的防弹衣要薄得多，重量只相当于普通的一半.

图5 英国BAE系统公司研制的液体防弹衣

3 酸奶与剪切变稀

买来的酸奶有时会比较稠，用吸管吸食会比较费力，这时如果用小勺搅拌几下，酸奶就会变得比较稀[6].这就是剪切变稀现象[7].剪切变稀的食品还有冰激凌、蛋黄酱[8]、番茄酱[9]和植物蛋白型饮料等.

有一种剪切变稀的润滑脂，当施加一个外力时，润滑脂的流动在逐渐变软，表观黏度降低，但是一旦处于静止，经过很短时间，稠度再次恢复.润滑脂的这种特性，决定了其可以在不适于润滑油润滑的部位润滑，而显示它优良的性能.此外，很多日化用品比如牙膏、洗发露、润肤露等都是剪切变稀的非牛顿流体.

4 拔丝菠萝与拉丝效应

拔丝菠萝、拔丝香蕉、拔丝苹果(图6)、拔丝山药、拔丝紫薯、拔丝元宵等菜品是过年餐桌上的美味佳肴，亮晶晶的细糖丝玲珑剔透，看着那么诱人.蔗糖在食用油中加热熔化到一定温度，就能拉出亮晶晶的细糖丝.这就是非牛顿流体的拉丝效应[10].春节逛庙会，孩子们都会买上一朵大大洁白的棉花糖举着边走边吃，棉花糖也是将白砂糖颗粒加热熔化后，利用快速旋转的剪切效应将糖浆牵拉成细丝制作成的(图7).如果仔细观察制作糖葫芦的过程，可以发现，将挂满热糖浆的山楂串要用力在泡过水的木板上一按，再来回搓动一下，在山楂靠木板的一侧就会拉出一层薄薄的糖片(图8)，这实际也是也是糖浆的拉丝过程.

图6 拨丝苹果的拉丝现象

图7 拔丝制作的棉花糖

图8 糖葫芦上的糖片

要说拉丝冠军，非蚕和蜘蛛莫属，蚕的腹部的丝腺内充满了蚕丝的原料——丝蛋白的胶质溶液，称为丝液.“后部丝腺”是合成丝蛋白的地方，“中部丝腺”是贮存丝液的地方.蚕的头部有一个由“角质蛋白”形成的“调节口”，当丝液经过它时，通过对丝液的流量进行适当的调节，就能拉成纤细而漂亮的丝线，其直径可以细到0.002毫米，长度可达1200米左右[11]，留下了“春蚕到死丝方尽”的佳句.现代化学纤维工业中，人们正在模仿蚕所做的工作，用“拉丝”的办法制造尼龙和涤纶等各种合成纤维[12].只是在开始做成丝状时，先要对熔融的聚合物液体施加很大的压力，使其从一个小孔中挤压出来，再去牵拉.如何又快又好地拉出丝来，正是“流变学(Rheology)”中“拉丝流动”所研究的内容.实际上，我们现在还比不上蚕，还不能像蚕那样只靠牵拉就能制出漂亮而结实的丝线来.

5 结束语

力学与人类的生产和生活密切相关，衣食住行等日常生活中存在很多力学知识、力学原理和力学现象，工业生产中有很多技术都是利用了力学知识和力学原理发明出来的.只要我们认真观察并认真思考，就能够发现这些原理和奇妙现象，并体会到观察生活、认识力学的乐趣，为科学技术进步做出贡献.

1 王振东.诗情画意谈力学.北京：高等教育出版社，2008

2 李光.高分子材料加工工艺学.北京：中国纺织出版社，2010

3 王振东.奇妙的非牛顿流体.力学与实践，1998，20(1)：72-74

4 杨龙江.肉糜制品流变学特性的研究.[硕士论文].北京：中国农业大学，2001

5 英国科学家成功研发 “液体防弹衣”.发明与创新 (大科技)，2011，3：37

6 李全阳,夏文水.市场流行搅拌型酸奶流变学特性的初步研究.食品工业科技，2003，24(5)：42-46

7 陈克复等编译.食品流变学及其测量.北京：轻工业出版社，1989

8 杨述，高昕，于甜等.4种蛋黄酱的流变特性比较研究.食品科学，2011，32(15)：121-125

9 罗昌荣，麻建国，许时婴.番茄浆料的流变特性研究.食品科学，2001，22(7)：28-32

10 王振东.非牛顿流体//《彩图科技百科全书》编辑部.彩图科技百科全书第一卷·宇宙.上海：上海科学技术出版社，上海教育出版社，2005.190-191

11 王振东.春蚕到死丝方尽 —— 谈液体的拉丝现象.力学与实践，1994，16(1)：75-77

12 蔡兵.非牛顿流体纺丝拉伸流动.[博士论文].成都：四川大学，2002

(责任编辑：胡 漫)

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10.6052/1000-0879-16-044

本文于2016-02-23收到.

1)E-mail：nanj@tju.edu.cn

姜楠,田砚.舌尖上的非牛顿流体.力学与实践,2017,39(1)：89-92

Jiang Nan,Tian Yan.The non-Newtonian f l uid on the tongue tip.Mechanics in Engineering,2017,39(1)：89-92