握住科学钥匙 打开科学之门

首页 > 正文

宾汉流体:有时像固体,有时像液体

2020-05-24 07:45  来源: 新华网

我们每天早上起床后都会刷牙,可是你有没有想过,为什么牙膏在无外力作用时看似为固体,即便把牙膏管倒过来,牙膏也不会流出来?当牙膏管受到挤压后,为什么牙膏便从管内“流”出来?当牙膏被挤到牙刷上无外力作用时,又能继续保持固定形态不变形?这种神奇现象的存在要从流体的性质说起。

流体在我们生活中非常常见,水、空气、血液、酱油、胶水都是典型的流体,而牙膏也是一种流体。流体由众多分子组成,而分子间存在较大的间隙,因此分子的平衡位置始终处于运动状态,这就是物体的流动性。正是由于这种流动性,流体在外力作用下各部分之间会发生相对运动,发生相应的形变。不同流体的流动难易程度和流动速度各不相同。比如,在相同的外力作用下,水要比油更容易流动,且流速也相对较大。这是因为流体内部的内摩擦力对流动起到了阻碍作用,而不同流体的内摩擦力有所不同。液体的内摩擦力被称为流体的黏度,是量度液体流动性的一个基本物理量。

流体流经固体表面时,流体分子间强大的吸引力和造成流体的内聚力,以及流体与固体之间存在着的附着力,都会造成流体内部层与层之间出现速度差,运动较慢的液层会对运动较快的液层起到阻滞作用。如果要保持一定的速度梯度即维持稳定的流动,就需要对液体施加恒定的力,即剪切应力,简称切力。

在层流条件下,牛顿流体单位上的剪切力和速度梯度成正比关系,符合这种关系的流体都被称为牛顿流体,比如纯液体(如水、甘油等)、小分子的稀溶液或分散相含量很少的分散体系等。而不符合牛顿公式的流体则被称为非牛顿流体,牙膏就是一种叫做宾汉流体(又称塑性流体)的非牛顿流体。与牛顿流体相同的是,宾汉流体的剪切应力和剪切速率也是成线性关系。但宾汉流体存在一个屈服应力,其流动的前提条件是外力必须大于屈服应力。

除了牙膏之外,日常用的洗面奶、护手霜等都有此特性。房屋装修用的油漆也属于宾汉流体,在搅拌和涂刷时其能够流动,但在涂刷在墙上后便不会因为重力而变形。由此可知,油漆的屈服应力也是大于其自身重力的。

宾汉流体中的填充物形成了三维网状结构,具有一定的强度。受到的外力较小时,能够阻挡外力;受到的外力较大时,这种三维网状结构则被破坏,随即发生流动。所以当你挤牙膏时,它才会从管子里面“流”出来。

本文由中国人民大学附属中学第二分校一级教师王和意进行科学性把关。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。

作者: 田维   [责任编辑: 郭童]

相关稿件

牙膏,流体