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賓漢流體:有時像固體,有時像液體

2020-05-24 07:45  來源: 新華網

我們每天早上起床后都會刷牙,可是你有沒有想過,為什么牙膏在無外力作用時看似為固體,即便把牙膏管倒過來,牙膏也不會流出來?當牙膏管受到擠壓后,為什么牙膏便從管內“流”出來?當牙膏被擠到牙刷上無外力作用時,又能繼續保持固定形態不變形?這種神奇現象的存在要從流體的性質說起。

流體在我們生活中非常常見,水、空氣、血液、醬油、膠水都是典型的流體,而牙膏也是一種流體。流體由眾多分子組成,而分子間存在較大的間隙,因此分子的平衡位置始終處于運動狀態,這就是物體的流動性。正是由于這種流動性,流體在外力作用下各部分之間會發生相對運動,發生相應的形變。不同流體的流動難易程度和流動速度各不相同。比如,在相同的外力作用下,水要比油更容易流動,且流速也相對較大。這是因為流體內部的內摩擦力對流動起到了阻礙作用,而不同流體的內摩擦力有所不同。液體的內摩擦力被稱為流體的黏度,是量度液體流動性的一個基本物理量。

流體流經固體表面時,流體分子間強大的吸引力和造成流體的內聚力,以及流體與固體之間存在著的附著力,都會造成流體內部層與層之間出現速度差,運動較慢的液層會對運動較快的液層起到阻滯作用。如果要保持一定的速度梯度即維持穩定的流動,就需要對液體施加恒定的力,即剪切應力,簡稱切力。

在層流條件下,牛頓流體單位上的剪切力和速度梯度成正比關系,符合這種關系的流體都被稱為牛頓流體,比如純液體(如水、甘油等)、小分子的稀溶液或分散相含量很少的分散體系等。而不符合牛頓公式的流體則被稱為非牛頓流體,牙膏就是一種叫做賓漢流體(又稱塑性流體)的非牛頓流體。與牛頓流體相同的是,賓漢流體的剪切應力和剪切速率也是成線性關系。但賓漢流體存在一個屈服應力,其流動的前提條件是外力必須大于屈服應力。

除了牙膏之外,日常用的洗面奶、護手霜等都有此特性。房屋裝修用的油漆也屬于賓漢流體,在攪拌和涂刷時其能夠流動,但在涂刷在墻上后便不會因為重力而變形。由此可知,油漆的屈服應力也是大于其自身重力的。

賓漢流體中的填充物形成了三維網狀結構,具有一定的強度。受到的外力較小時,能夠阻擋外力;受到的外力較大時,這種三維網狀結構則被破壞,隨即發生流動。所以當你擠牙膏時,它才會從管子里面“流”出來。

本文由中國人民大學附屬中學第二分校一級教師王和意進行科學性把關。

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創,轉載時務請注明出處。

作者: 田維   [責任編輯: 郭童]

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