神奇的非牛顿流体——遇强则强遇弱则弱

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水其实是一种牛顿流体，之所以叫“牛顿”流体，是因为牛顿当年确实研究了关于水这样流体流动的原因，因此冠以他的大名。牛顿流体的形变率和剪切力呈线性关系，这就意味着牛顿流体的粘度是不变的。

然而，工业上许多流动均不适用于牛顿流体，对于某些流体，形变率和剪切力呈现一种非线性的关系，这一类流体被称之为非牛顿流体。

先来看看它的神奇之处：遇强则强，子弹都打不穿，可以承受一个成年人！但是，相反，遇弱则弱，用手指慢慢戳它，一下子就穿透了！

美女在非牛顿流体池中玩水上漂

子弹都打不穿非牛顿流体

原理是：非牛顿流体的粘度会因为受到的压力或速度而变化，压力越大，粘度会增加，甚至成为暂时性的固体。因此，当用力搥打非牛顿流体时，接触面因为压力大而粘度增加。口香糖是非牛顿流体，它受到的外力越大、越快的时候，它就越坚硬，瞬间不会产生形变，所以当我们用力将椰子砸向它的时候，椰子壳一下就开了！

重击下口香糖穿入椰子壳内

这个相反现象原理是：非牛顿流体在没有压力时又非常柔软，和液体一样。

01、什么是非牛顿流体

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。

02、存在何处

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。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。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。

03、如何鉴别

用老百姓能理解的话就是：当你把一个苹果用力扔到一种液体里，液体是溅开的就是牛顿流体。相反，如果液体是瞬间固化，那就是非牛顿流体了。

04、如何在家做

往水盆中倒入一定量的水，再倒入淀粉。水和淀粉的比例为1:3，用手将其混合均匀搅拌，直到盘中玉米淀粉完全溶到水中，没有明显的淀粉块。

可以用手指拨动一下，能看到像豆腐渣样的形状。尝试用手抓起一把揉成团，摊开手你会发现立马会从指缝中流走。用拳头快速打它，它就像是固体一样哦。

05、神奇特性

射流胀大

也称Barus效应或Merrington效应。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0.88～1.12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。

爬杆效应

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。

无管虹吸

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聚体系等，都很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器拨起时，可以看到虽然管子已不再插在液体里，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。无管虹吸对于化纤生产有重要意义。

湍流减阻

也称Toms效应。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。虽然湍流减阻效应的道理尚未弄得很清楚，却已有不错的应用。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。

其他特性

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。

来源：360doc个人图书馆，由恰恰365发布，原文来自微信公众号iCFD（现已注销），作者：老曾。