哪吒破解穿心咒,科学原理揭秘背后真相
哪吒尝试突破那令人绝望的“穿心咒”,常规挣扎方式都无法让他摆脱束缚,然而看似毫无希望时,哪吒做出意想不到举动,他完全放松,随后突然猛地一用力,竟成功突破“穿心咒”。原来,哪吒本质体是藕粉浆,藕粉浆有独特物理性质,是非牛顿流体特性。
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藕粉是食材,在我们日常生活里十分常见。新鲜莲藕加水磨制,成为粉末浆水后,经过澄水沉淀,再经过脱水烘干等一系列工序,最终变成我们熟悉的藕粉。藕粉按恰当比例重新与水混合,调整到合适淀粉浆体状态时,会展现奇妙物理特性,即非牛顿流体的性质。
在藕粉糊里,藕粉维持着固态颗粒形态kaiyun全站app登录入口,这些颗粒的分子间构成了极为复杂的链接结构。受外力作用时,这个结构产生应变响应,致使藕粉浆体形变。并且,藕粉糊受不同大小和速度的剪切力时,浆体流动性不同,进而展现出非牛顿流体的特性。
非牛顿流体
那些不满足牛顿黏性实验定律的流体,被称作非牛顿流体,其黏度会随作用在其上不同性质的剪切力改变而变化,在剪切应力作用下,非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间的关系不是简单的线性关系,正因如此,这种流体受缓慢剪切时,会出现拉伸、扭曲和断裂等应变现象,而在快速剪切力作用下,它不会迅速产生应变kaiyun全站网页版登录,反而会表现出如同固态物质一般的坚硬特性 。
非牛顿流体的类型
非牛顿流体有多种不同的类型:
01
剪切稀化流体(假塑性流体)
具有这样特性的是剪切稀化流体,其黏度会随着剪切速率增加而逐渐减小,在静止状态下这类流体表现得十分黏稠,可一旦施加外力它的黏度就会下降,流动就会变得更加容易,通俗来讲就是有点“欺软怕硬”的意思,你对它施加的力量强它就变得“软弱”,力量弱它就“强硬”起来。
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剪切增稠流体
剪切增稠流体情况相反,其黏度随剪切速率增加而增大,即当施加力使其流动时,它会变得更黏稠,呈现“遇强则强,遇弱则弱”之特点 。

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比如藕粉就属于剪切增稠流体。
03
宾汉姆塑性流体
宾汉姆塑性流体较为特殊,它于超过一定剪切应力后才会择取流动,当所受力在屈服应力之下时,它们如固体一般,而一旦超屈服应力,则会展现牛顿流体特性,大家于挤牙膏时或有类似体验,牙膏在未受挤压力时,始终维持固体形态,但当施以压力超特定阈值时,牙膏会从管口流出,呈现液体特性。
04
黏弹性流体
这种流体具备黏性与弹性这两种特性,此两种特性同时存在于该流体之中。外力施加于它的时候,它的形状会产生变化。并且外力施加于它的时候,它会储存一部分能量。外力撤去之后,它会部分恢复到原本的状态。解压硅胶玩具这种常见的物品属于黏弹性流体。用力对它进行拉长操作时,它会被拉伸至很长的程度,这是黏性的一种表现形式;停止对它进行拉伸操作之后,它又会慢慢地恢复成原来的形状 。
具有独特的物理特性
非牛顿流体拥有多种独特的物理特性:
01
射流胀大
当非牛顿流体被强制从一个大容器流入一根毛细管,之后从毛细管流出时,你会发现一个有意思的现象,射流的直径居然比毛细管的直径还要大 。
02
爬杆效应
黏弹性流体,它属于非牛顿流体的一种,在装有这种流体的烧杯里,进行旋转实验杆的操作,此时,你会看到这种情况,液面朝着杯中心流动,而且沿着杆向上爬升,最终使得液面形成凸形 。
03
无管虹吸或开口虹吸
对于高分子液体,比如聚异丁烯的汽油溶液来说,把管子从容器中拔起时,液体仍会连绵不断地从杯中被抽出,持续流进管里。甚至在某些特别情形下,无需使用虹吸管,仅将装满该液体的烧杯略微倾斜让液体开始流下kaiyun官方网站登录入口,这个过程一旦开启,便不会自行终止。
非牛顿流体的应用
存有广泛应用的非牛顿流体力学,包含化学纤维工业,还有塑料工业,以及石油工业,再加上化学工业,另外还有轻工业,以及食品工业等众多领域 。
01
食品加工
在食品加工这个领域,非牛顿流体经常会被拿来用作增稠剂,非牛顿流体还会被用作乳化剂等,它具有足以有效地改善食品口感的能力,它同样拥有能够改善食品质地的能力,进而让食物变得更加美味可口 。
02
石油开采
在石油开采进程里,非牛顿流体起着关键作用,它能够充当压裂液以及钻井液,助力把控油田的渗透性,进而极大提升石油的开采效率 。
03
医学工程
于医学工程范畴内,非牛顿流体能够用以模拟血液的流动情形,进而为优化血管支架等医疗设备的设计供应关键的参考凭据。
04
材料科学
于材料科学范畴内,非牛顿流体能够用以制备纳米颗粒,还能制备生物降解聚合物等具备高性能的材料,进而为推动材料科学的发展贡献力量。
审核专家:周洪直
北京工业大学物理与光电工程学院高级实验师,硕士生导师