口香糖竟能開椰子 原理到底是啥

口香糖竟能開椰子 原理到底是啥

口香糖搓成圓椎體狀真的能開椰子?(視頻截圖)

口香糖竟能开椰子 原理到底是啥

烈日炎炎的夏天,正是喝椰子汁、吃椰肉的好時節。這裡有一個有趣的問題:如果手邊只有榴蓮、橡皮筋、口香糖三種東西,你覺得可以選擇其中哪一種,能快速打開一隻椰子呢?

你可能想象不到,研究者會告訴你,用口香糖開椰子正是其中最為簡單可行的方法。

如果你想知道這其中的原理,就需要好好了解一下非牛頓流體與牛頓流體的各種物質了。

脹流性流體:吃軟不吃硬

——口香糖、澱粉溶液、海灘上的溼沙、混凝土漿屬於脹流性流體

用口香糖開椰子的正確姿勢是什麼呢?

首先把幾片沒有嚼過的口香糖揉成一個圓錐形,然後尖端朝上,底部平放在桌子上,接著用手捧起椰子到一定高度,用力往口香糖上砸。我們會發現,口香糖不僅不會被砸扁,反而會把椰子砸出了一個洞。如此反覆幾次,椰子就能被破開。

口香糖究竟為何擁有如此神功?其實其中的原理就是——非牛頓流體原理。口香糖中有一種膠基的成分,屬於非牛頓流體中的切力增稠流體,這種流體在大的外力作用下黏度會變大,且外力越大,黏度就越大。

當椰子以高速撞擊口香糖時,口香糖黏度迅速增大,此時就表現得像固體一樣堅硬,從而扎破椰子堅硬的外殼。而外力一旦撤出之後,它又會恢復成液體的性質。如果外力作用小而緩慢,它就會表現得和普通液體一樣,具有流動性。它還真是一個吃軟不吃硬的傢伙。

這種流體在發生增稠時,體積會略微膨脹,所以切力增稠流體也叫脹流性流體。澱粉溶液、海灘上的溼沙、混凝土漿等都屬於這類流體。

脹流性流體黏度的改變,和它內部的結構有關。即發生切力增稠時,流體內部便形成了某種結構。

脹流性流體通常為多相混合物,比如海灘上的溼沙,是沙子和水的混合物。在沒有外力作用或者外力作用很小時,不規則的沙粒緊密堆積,水可以均勻地填充在沙粒之間的間隙中,起到潤滑劑的作用。當有人一腳踩在沙子上,原本緊密堆積的結構被破壞,沙粒間產生“錯位”便會使得體積增大;同時水被迫向周圍運動,流動發生紊亂,阻力會增大,而沙子也因為失去潤滑劑的作用,流動更加困難。所以,海灘上滲入海水的沙面比干沙子好走,就是因為溼沙的這種特性會使我們的腳更不容易陷下去。

賓漢流體:有時像固體,有時像液體

——牙膏、洗面奶、護手霜等屬於賓漢流體

既然有非牛頓流體,就必然有牛頓流體。剪切應力和剪切速率符合牛頓流體公式的流體都屬於牛頓流體。水、空氣都是牛頓流體,它們的剪切應力和剪切速率成正比關係。

只要是剪切力和剪切速率不符合牛頓流體公式的流體,都稱為非牛頓流體。除了脹流性流體外,非牛頓流體還包括假塑性流體和賓漢流體。廚房中的各種醬料、油、高分子溶液、泥漿,乃至生物體內的血液、細胞液都是非牛頓流體。

賓漢流體的剪切應力和剪切速率也是成線性關係,但與牛頓流體不同的是,它有一個屈服應力,只有當外力大於屈服應力時它才會發生流動。

最典型的賓漢流體就是牙膏。在沒有外力作用時,它看上去像固體。只有當我們用力擠牙膏時,它才會從管子裡面“流”出來,被擠到牙刷上時,它也依然能夠保持一定的形狀而不會“趴”下去。如果不去擠它,即使你把牙膏管倒過來,它也不會流出來。

同樣的,我們可以推測出,像洗面奶、護手霜之類的東西也是賓漢流體。建築上用的油漆也需要設計成賓漢流體,我們既要求它在攪拌和塗刷時能夠流動,同時也要求它在塗到牆上之後不會因為重力的作用而從牆上流下來,也就是說油漆的屈服應力應該大於自身重力。

同脹流性流體一樣,賓漢流體也是一種多相混合物。一般認為,賓漢流體中的填充物形成了三維網狀結構,這種結構具有一定的強度,能夠抵擋較低的外力;當外力足夠大時,三維結構被破壞,填充物才會隨著溶劑一起流動。

假塑性流體:欺軟怕硬

——血液、岩漿、酸奶、番茄醬、洗髮水屬於假塑性流體

如果說脹流性流體吃軟不吃硬,那麼假塑性流體就是欺軟怕硬的傢伙。假塑性流體表現出來的性質和脹流性流體恰恰相反,在低剪切速率下黏度保持為常數,當剪切速率增大,黏度反而減小。也就是說給它施加的外力越大,它表現出來的黏度越小。所以它也叫做切力稀化流體。

很多高分子液體屬於這類流體。流體的黏度可以理解為流體內分子之間的摩擦力,摩擦力越大,黏度就越大。高分子液體中的溶質是一種分子質量很大、結構很長的分子,在沒有外力的情況下,它們通常呈捲曲狀態,分子之間可能會相互纏結、碰撞,摩擦力比較大;當有外力存在時,捲曲的分子就會沿著剪切力的方向伸展開來,分子平行排列,相互之間的摩擦力就減小了,因而黏度也降低了。

血液、岩漿、酸奶、番茄醬、洗髮水都屬於假塑性流體。當我們緩慢攪拌酸奶或番茄醬的時候,會發現比較費勁,而攪拌得快了,反而會更加輕鬆,其實就是如上的道理。

假塑性流體還有一個很有趣的現象——凱伊效應。當一束高黏度的假塑性流體射向一個固體表面的時候,固體表面會把液束向上反彈回去。

仔細觀察實驗現象,不難發現,發生反彈的水流的下方總是積聚了一層流體,再結合假塑性流體的性質,整個過程應該是這樣的:快速下落的液束對下方的黏性流體堆造成衝擊,流體表面因為受到衝擊力,黏度變小,受到撞擊後形成一個酒窩狀的凹坑,同時黏度降低的表面充當潤滑劑的作用,最終使得下落的液束被反彈出去。

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