非牛頓流體

樊永洪

用一條小小的口香糖便能打開十分堅(jiān)硬的椰子？答案是：可以的.將剛剛打開包裝的口香糖卷起來，上部捏成尖狀，立在桌子上，將新鮮椰子的尾部對(duì)著口香糖的尖部猛砸下去，口香糖便像釘子一樣扎破椰子殼，我們便可以品嘗到鮮美的椰汁.口香糖和粘狀物體都是非牛頓流體，并且都具有外界所給的力越大、速度越快、反力也越大的特點(diǎn).所以口香糖能扎進(jìn)快速用力砸向它的椰子外殼.非牛頓流體是什么東西，具有什么樣的特性，又能給生產(chǎn)和生活帶來什么樣的變化呢？

一、非牛頓流體的概念

非牛頓流體是指，不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系.非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然中.絕大多數(shù)生物流體都屬于非牛頓流體.（1）人體身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體.（2）高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體.聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體.石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體.（3）食品工業(yè)中的番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體.由此可見，非牛頓流體就在我們身邊，只是我們不了解而已.

二、非牛頓流體的特性

非牛頓流體具有射流脹大、爬桿效應(yīng)、無管缸吸或開口虹吸以及湍流減阻四個(gè)最主要的特性.

1.射流脹大.如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器，流進(jìn)一根毛細(xì)管，再從毛細(xì)管流出時(shí)，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大.

2.爬桿效應(yīng).1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學(xué)院公開表演了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿.對(duì)于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對(duì)于黏彈性流體，卻向杯中心流動(dòng)，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象.在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響.同樣，在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng).

3.無管缸吸或開口虹吸：對(duì)于牛頓流體來說，在虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會(huì)停止.但對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都容易表演無管虹吸實(shí)驗(yàn).將管子慢慢地從容器撥起時(shí)，可以看到雖然管子已不插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進(jìn)管里.甚至更簡(jiǎn)單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會(huì)中止，直到杯中液體都流光.這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ).

4.湍流減阻.非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)，是湍流減阻.人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降.湍流一直是困擾理論物理和流體力學(xué)界未解決的難題.然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng).雖然科學(xué)家對(duì)湍流減阻效應(yīng)的原理尚未弄得很清楚，卻已有不錯(cuò)的應(yīng)用.在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上.應(yīng)用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發(fā)生過程及其破壞作用，建筑工程中所用的防腐蝕和防火的涂料，就屬于非牛頓流體.當(dāng)然，非牛頓流體還有其他特性，如拔絲性、剪切變稀、連滴效應(yīng)以及液流反彈等.

三、非牛頓流體的應(yīng)用

在生活和工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的各種高分子溶液，熔體，膏體，凝膠，交聯(lián)體系，懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體.實(shí)際上，我們已經(jīng)利用非牛頓流體的上述特性，使之服務(wù)于生產(chǎn)、生活以及安全防護(hù).例如，有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，需加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液，新型潤(rùn)滑劑等；因?yàn)榉桥ｎD流體具有爬桿效應(yīng)的特點(diǎn)，所以在建筑工程中，商品混凝土的運(yùn)輸泵的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)；建筑工程中的防火、防腐蝕涂料、以及混凝土中的各種添加劑等都是非牛頓流體.據(jù)有關(guān)資料表明，已經(jīng)有人開始著手研究非牛頓流體防彈衣了.泥石流也屬于非牛頓流體.我相信，隨著科技的進(jìn)步，人們會(huì)研究出降低泥石流下滑速度或控制其滑動(dòng)方向的方法，以便保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全.隨著社會(huì)的進(jìn)步以及人們對(duì)非牛頓流體進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，它們會(huì)在生產(chǎn)、生活以及安全防護(hù)中扮演更加重要的角色.