神奇的非牛顿流体特性及其广泛应用
01非牛顿流体的定义
非牛顿流体是一种性质特殊的流体类型，这类流体的表现与牛顿流体截然不同，它们的黏度会随剪切速率的变化而改变。这类流体在自然界和人类社会中随处可见，从人体内的血液、淋巴液等体液，到细胞内的细胞质等半流体，都属于此类物质。它们在工业生产中也扮演着重要角色，具有广泛的应用价值。
02非牛顿流体的实例
非牛顿流体广泛存在于日常生活、工业制造和自然现象之中。人体内的血液、淋巴液、囊液等体液，以及细胞质这类半流体物质，均属于非牛顿流体类型。高分子聚合物的浓溶液和悬浮液，例如聚乙烯、聚丙烯酰胺等，也归入此类流体。
工业生产中，石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏等物料，都属于非牛顿流体范畴kaiyun全站网页版登录，此外，家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液也属于此类流体，自然界中，泥石流、地幔等也具备非牛顿流体的特征。
另外，食品制造行业里的番茄液体、淀粉溶液、蛋白液态成分、苹果果浆这些，还有各种糊状食品材料，比如奶粉制品、海藻凝胶体、米浆团块等，均归类为非牛顿流体类型。
03非牛顿流体的特性
射流胀大
流体膨胀现象，即Barus效应和Merrington效应，是仅存在于非牛顿流体中的特征。当这类流体被从宽容器经由细管排出时，会发现流束的宽度实际上比管道本身更宽。这种现象里，流束宽度与管道宽度的比率，被称为喷嘴膨胀系数或挤出膨胀系数。而牛顿流体，这个比率一般介于0.88到1.12之间。高分子熔体或浓溶液的情况则完全不同，该数值会大幅度增加，有时甚至能达到十倍以上。通常来说，片材的膨胀程度同流动速度以及毛细管的有效尺寸有着非常紧密的联系。这种现象对于模具构造的规划具有决定性作用。譬如说，如果聚合物熔体经由一个拥有矩形横截面的模具流出，横截面长边方向的膨胀现象会明显强于短边方向，特别是在长边的中点位置，膨胀效应最为突出。所以，要制造出横截面呈方形的物件，出料口的构造不能是平直的方形，需要精心制作成四周向内微微凹陷的样式。
爬杆效应
研究非牛顿流体性质时，还会出现一个奇特现象，即爬杆效应，也称作Weissenberg效应。当非牛顿流体经过圆柱状物体时，该物质仿佛被物体“吸附”，沿着其表面往高处移动。这种现象与牛顿流体表现迥异，后者遇到类似物体只会直线前进。爬杆现象的存在，不仅改变了我们对流体运动的认识，也为工业生产中流体的运用开辟了新途径。比如，在制备油漆、涂料等物品时，可以借助这一现象来提升产品的涂覆效果。此外，在生物医疗方面，爬杆现象也为探究细胞与组织的活动提供了新角度。
1944年，在英伦三岛的帝国学院里，Weissenberg开展了一次颇具启发性的研究。他向一个盛有特殊流体的容器里插入搅拌棒，并使其旋转，随后注意到了一些不寻常的发现。牛顿流体受离心力影响，表面呈下凹状；黏弹性流体则表现出迥异特性，会向容器中心聚集，沿着测试杆向上攀爬，因而表面变得向上拱起，即便测试杆转动速率不高，这种现象依然十分明显。爬杆现象在实验中呈现出特殊性，同时也为混合器和非牛顿流体输送装置的设计带来了关键思路。在混合器构建时，必须将爬杆现象纳入考量范围；在输送装置构建时，则能够借助这一现象来改进运作表现。
无管虹吸
虹吸实验里kaiyun全站app登录入口，牛顿流体只要虹吸管离开液面，虹吸作用马上中断。不过，高分子液体例如聚异丁烯的汽油混合物、百分之一的POX水溶液，以及聚醣在水中的微弱凝胶体系等，却可以轻易呈现无管虹吸状态。当慢慢把管子从容器里拔出时，虽然管子已经与液体分离，但液体依然会不断从杯中流出，并进入管子内部。简单来说，即使不借助虹吸管，只要把装满这些液体的容器轻轻倾斜，让液体流出，这个过程就会一直进行，直到容器里的液体全部流完。这种无需管道就能持续吸液的特性，正是合成纤维能够被纺织的关键原因。
湍流减阻
非牛顿流体另有一种令人惊异的特性，那就是湍流阻力减小现象，也叫做Toms效应。实验表明，往牛顿流体里添加微量的高分子材料，就能发现在相同流动速率时开元棋官方正版下载，系统两端的压力差大幅下降。虽然湍流现象一直是理论物理学和流体动力学领域公认的一大难题，不过高分子物质的使用却出人意料地产生了显著的阻力降低作用。有资料显示，掺入高分子材料后，水流动的节律变得缓慢，这种现象或许与长分子链的活动存在关联。虽然水流紊乱时阻力降低的原理还没有彻底明了，不过这种技术在现实操作中已经展现出突出的价值。比如在消防用水里滴加微量聚乙二醇，能够大幅增加消防栓喷嘴射水的高度。不仅如此，这类聚合物成分也能缓解气泡溃灭的情况，减轻其造成的损害。
其他特性
这种流体不仅拥有前述那些有趣的特性，还有许多其他迷人的特点。比如，它有被拉成细丝的能力，可以形成非常细长的丝状物，就像“春蚕到死丝方尽”里描绘的那样。同时，这类流体也有粘度随受力变化的现象，并且会出现连续成滴和液体喷射回弹的现象，因此它们在物理学和工程学上都有很多用途。
研究非牛顿流体的各种性质时，可以感受到它们的非凡与特别。这类流体不仅拥有令人称奇的延展能力，可以轻易被拉成细长丝状，同时还表现出剪切稀化、液滴接连形成以及流体弹跳等多项特性。这些特性让非牛顿流体在物理学和工程学上获得了诸多用途，给人们的日常生活带来了许多方便和意想不到的新奇体验。
