有趣的非牛顿流体

叶弘宇

摘 要：非牛顿流体是坚硬和柔软的结合体，在大自然和生活中都存在非牛顿流体。非牛顿流体属于液体，具有柔性，同时还具备遇强则强的特性。采用轻松诙谐的语气，深入浅出地介绍了非牛顿流体及其特性，它与牛顿流体的区别以及在生活中的运用。

关键词：非牛顿流体；淀粉水；坚硬；固体

在我们的生活中有种物质是坚硬和柔软的结合体，它就是非牛顿流体。

一、什么是非牛顿流体

让我们来了解一下什么是非牛顿流体吧。非牛顿流体的官方定义是指高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等。包括聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液和各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等。其实在大自然和我们的生活中都存在非牛顿流体，石油、泥浆、纸浆、油墨、油漆、牙膏、泡沫、沥青等都是非牛顿流体。食品中的番茄汁、淀粉液、蛋清、酱油、果酱、炼乳、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也都是非牛顿流体。还有绝大多数生物流体都属于上述定义的非牛顿流体，就连人身上的血液以及像细胞质那样的“半流体”也属于非牛顿流体。

二、非牛顿流体与牛顿流体的区别

了解了非牛顿流体，新的问题来了，既然我们的生活中存在着许多的非牛顿流体，那与之相对应的牛顿流体又是什么呢？两者的区别是什么？

其实自然界中许多流体都是牛顿流体。例如水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。牛顿流体在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比，属于低粘性流体，而不同于牛顿流体特性的流体一般被称为非牛顿流体。从流体力学的角度来说，凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，反之称为非牛顿流体。也就是牛顿流体就是像水一样的低粘性流体，凡是不属于低粘性的流体，例如淀粉液就称为非牛顿流体。

三、非牛顿流体的有趣特性

虽然非牛顿流体属于液体，具有柔性，但它同时还具备遇强则强的特性，让我们来看看在它“身上”发生的有趣现象吧。

武侠小说中的武林高手，武艺高强，身负各种武林绝学，其中就有种叫“水上漂”的功夫，依靠轻功从水面上飞奔而过，这在现实生活中当然是不可能存在的。

而非牛顿流体却可以帮助我们实现“水上漂”的奇迹。将一定比例的玉米淀粉和水搅拌均匀制成淀粉水，轻轻触碰时就像水一样，很容易将手指伸进去。当你大力且快速地拍打时，淀粉水却变得十分坚硬，就像是拍在石头上一样。其原理就是，淀粉水其实是一种非牛顿流体，流体粘度会随着受到的压力和速度而变化，压力越大速度越快，粘度会随之增加，从而成为暂时性的固体。所以只要我们用足够快的速度就能顺利地从淀粉水面上跑过，实现“水上漂”，是不是很有趣？

还有更有趣的是我们最常见的口香糖，它也是非牛顿流体。也许你不太会相信，觉得口香糖这么一个普通的东西，怎么会和非牛顿流体扯上关系？

中央电视台一档科普类节目《加油，向未来》曾经就为我们很好地诠释了这一问题。主持人向场上嘉宾提出问题，“口香糖、榴梿和橡皮筋，哪种物质能最快打开椰子？”在嘉宾的逐一验证下，只有口香糖最终打开了椰子，是不是难以置信？让我们来了解这其中的奥秘吧，大多数人只吃过口香糖，却没有仔细了解它的配料是什么。口香糖的成分里包含了一种叫做胶基的物质，它其实是一种高分子材料，也是非常典型的一种非牛顿流体，具备遇强则强的特性，当用椰子使劲砸向捏成宝塔形状的口香糖时，口香糖受到的外力越大越快时就变得越坚硬，所以一下子就把椰子壳扎破了。

四、非牛顿流体在生活中的运用

如果在牛顿流体中加入少量聚合物，使其变成非牛顿流体，就能在生活中发挥很大的作用。例如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，大大增加消防水的有效覆盖范围。

非牛顿流体，介于液体与固体之间，当表面受到压力时，会开始变硬，具备一定的固体特性，甚至连子弹都无法穿过。当表面压力消失时，又变得十分柔软，和液体一样。根据这种特性，人们开始研制“非牛顿流体”防弹衣，既舒适又柔软，防弹性能更优秀，相信在不久的未来，这种防弹衣将会取代普通的防弹衣。

目前国外已有公司利用非牛顿流体的特性，做出了一款超级人性化的液体减速带。现在常用的普通减速带当司机通过时，尽管车速很慢，還是会引起车身震动，发出“嘭嘭”响声，令人倍感不适。如果采用非牛顿流体减速带，在车速特别慢的情况下，它就像一个不会压坏的水带，在车内几乎察觉不到有减速带的存在。只有在车速特别快地通过时，非牛顿流体受力变硬的特性才显现出来，汽车才会像是压在普通的减速带上一样引起车身震动，发出“嘭嘭”响声。

由于非牛顿流体与许多工业生产部门的设备、工艺、效率和产品质量有关，也关系到我们的生活和健康，所以各国的科学工作者越来越重视这种物质。非牛顿流体在中国也已经有了很久的研究，中国科学院的院士欧阳钟灿先生就是研究非牛顿流体的大师。

随着非牛顿流体逐步被人们认识和利用，研究它的科学家也越来越多，非牛顿流体力学已经发展成为一门独立的学科。

参考文献：

[1]江体乾，唐寅南.非牛顿流体传递过程研究进展及应用[J].力学进展，1987（3）.

[2]彭岩，吕冰海，纪宏波，等.非牛顿流体材料在工业领域的应用与展望[J].轻工机械，2014（1）.

[3]荆旭，林静，郑志文.非牛顿流体减速带的改进与应用[J].公路与汽运，2018（4）.

编辑 李烨艳