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神奇的非牛顿流体

2020.9.11

  什么是非牛顿流体?

  非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。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。但通过语言文字不能很好的去理解究竟非牛顿流体与普通液体的本质区别,于是我便利用生活中最简单的材料来做好玩的非牛顿流体。

  实验材料

  一个空碗,一个装有水的碗,

  两个勺子,一根筷子,一包玉米淀粉

  实验过程

  1.用勺子挖两勺玉米淀粉放入空碗中,再把勺子洗净放入一勺清水。

  2.用筷子进行搅拌,尽量让淀粉与水融合。

  3.初步成型后加入颜料继续搅拌。之后我便迫不及待地玩了起来。

  神奇的是当我用手快速地戳它时感觉是软软的固体并不像水之类的液体的感觉。当用手指慢慢戳时,手便会"陷"进去,延展性并不差。

  这是怎么回事呢?

  查阅资料

  通过查阅资料我了解到非牛顿流体的特别之处就在于有粘度,而且粘度还会变化。在受到压力时它会产生粘度,在压力不断加大的时候粘度又会不断加强。在压力极强的时候,非牛顿流体会暂时变成一种固体,这一固体的硬度还非常高。

  现象解释:非牛顿流体介于液体和固体之间,玉米淀粉和水以极高的密度混合在一起,当它的表面受到巨大压力时,力会均匀地传递在每一个淀粉颗粒上,就好像在捶打一面坚固的墙。当表面的压力减小时,就会变成液体。

  实际应用

  在特定条件下可以做防弹衣。利用非牛顿流体的剪切增稠作用,美国杜邦公司将经过非牛顿流体浸透得到Kevlar纤维制成液体防弹衣,抗冲击效果较强,而且更为轻便舒适。

  在国外应用比较广泛的D3O材料,就是非牛顿流体。D3O材料在常态下保持松弛的状态,柔软而具有弹性,一旦遭到剧烈撞击或挤压的时候,分子间立刻相互锁定,迅速收紧变硬从而消化外力,形成一层防护层,当外力消失后,材料会回复到它最初的松弛软弹状态。它可以在纳米秒时内在不同的冲击情况下作出不同的反应。此材料已经应用于户外运动装备甚至战场上,为使用者提供碰撞保护措施。

  这类物质,介乎于液体与固体之间。当表面受到压力时,会开始变硬,具备一定的固体特性。当表面没有压力时,又非常柔软,和液体一样。根据这种特性,人们制作“非牛顿流体”防弹衣,既舒适,防弹性能也更加优秀。

  实验原理

  所以,实验中的“非牛顿流体”如此坚硬,秘密就在于水。成熟的玉米颗粒很坚硬,当玉米粉和水以极高的密度混合在一起的时候,细小的玉米颗粒均匀的分布在液体之中,密度甚至超过玉米颗粒。当我们用力击打“非牛顿流体”的时候,压力会均匀的传递到每一个颗粒上,给人的感觉就像在捶打一面墙。

  有趣的非牛顿流体让我体会到了科学的魅力,在假期里让我们一起动手制作科学小实验吧!


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