问题

如何通俗地理解「非牛顿流体」,这种流体的特性有何特性?

回答
想象一下,我们日常生活中最熟悉的液体,比如水、牛奶、油,它们都表现得非常“乖巧”。你倒它,它就顺着杯子流下来;你搅它,它就乖乖地转;你拿东西放进去,它也就那么静静地待着。这些,都是我们称为“牛顿流体”的典型代表。它们的“乖巧”程度,和施加在它们身上的力(也就是你搅动、倾倒的动作)是成正比的,而且,它们内在的粘性(你感觉到的“稠”或者“稀”)基本是恒定的,不会因为你用力的大小或者速度快慢而改变。

但是,总有些“不按常理出牌”的家伙,它们就是所谓的“非牛顿流体”。这些家伙的脾气可就大了,它们的“稠”或者“稀”不再是固定的,而是会随着你对它们施加的力(或者说“剪切应力”)的大小、速度、甚至持续时间而发生变化。是不是听起来有点神秘?别急,咱们一点一点拆解开来。

非牛顿流体的“怪脾气”:

最能体现非牛顿流体特性的,就是它们的粘度(viscosity)不再是常数。粘度,简单来说,就是液体抵抗流动的“内摩擦力”。牛顿流体的粘度就像个老实巴交的伙计,你给它多少力,它就表现出多少“阻力”,而且这阻力是线性增长的。而非牛顿流体的粘度,就好像一个情绪多变的员工,你对它的态度不同,它的反应也大相径庭。

我们可以根据它们在不同“对待方式”下的粘度变化,把它们大致分成几类:

1. 剪切变稀流体 (Shearthinning fluids) – “越搅越稀”

最典型的例子: 番茄酱、奶油、油漆、一些洗发水、牛奶。
通俗理解: 你想象一下,挤番茄酱的时候,一开始你可能得用力点,但一旦挤出来了,你轻轻一推,它就哗啦啦地流下来了。还有,你用勺子搅动牛奶,一开始搅起来有点费力,但你搅得越快,它反而感觉越“顺滑”,更容易搅动。
背后的原理(简单说): 这些流体里面,有很多长链分子或者悬浮的颗粒。当你不施加力时,这些长链分子或者颗粒会互相缠绕、堆积,形成一个比较“稠”的状态,抵抗流动。但当你用力去搅动或挤压它们时,这些分子或者颗粒就会被“拉开”或者“排好队”,减少了它们之间的阻碍,所以就变得“稀”了,流动起来更容易。就像一群站着不动的人,一下子叫他们排成一列跑,他们会比挤在一起时跑得快。
生活中的应用: 番茄酱包装设计成挤压式,就是利用了这一点,方便消费者使用。油漆之所以需要一定的粘度在罐子里保持稳定,但刷起来又不能太稠,也和这个特性有关。

2. 剪切增稠流体 (Shearthickening fluids) – “越搅越稠”

最典型的例子: 玉米淀粉和水的混合物(就是那个著名的“史莱姆”或“Oobleck”)、一些工业润滑油。
通俗理解: 这个就更有趣了!你抓一把玉米淀粉,小心翼翼地把它倒进水里,然后慢慢地用手指去搅。你会发现,它就像一滩泥浆,手指很容易就能插进去。但如果你突然用力戳它一下,你的手指会立刻被“卡住”,感觉就像戳在一块半固体的物体上一样!你越想把它搅匀,它反而越“顽固”,越难搅动。
背后的原理(简单说): 和剪切变稀流体相反,这些流体在静止或缓慢运动时,颗粒之间有足够的空间可以滑动。但是,当你快速施加力时,颗粒来不及“让位”,就会因为碰撞和摩擦而互相“挤压”在一起,形成一个暂时的、更稠密的网络结构,极大地增加了流体的粘度,让你感觉它变得“固”了。就像一群原本分散站着的人,突然有人大喊“快跑!”,大家来不及排好队,一拥而上就挤在一起,反而难以移动。
生活中的应用: 这种特性在防弹衣、赛车安全气囊、以及一些需要瞬间减震的设备上有应用潜力。比如,在发生碰撞时,这种材料能迅速变硬,吸收和分散冲击力。

3. 宾汉姆塑性体 (Bingham plastics) – “突破临界才流动”

最典型的例子: 牙膏、黄油、一些泥浆。
通俗理解: 你有没有试过挤牙膏?当你轻轻挤牙膏管时,牙膏纹丝不动。但你稍微用力一点,超过某个“门槛”后,牙膏就开始“哗”地一下流出来,而且一旦开始流,它就表现得像牛顿流体一样,你给它多少力,它就以相应的速度流。
背后的原理(简单说): 这些流体在较低的应力下,内部存在一个“结构”,让它们表现得像固体一样,不会流动。只有当施加的力足够大,能够“破坏”或“克服”这个内部结构时,它们才会开始流动,一旦流动起来,内部结构就消失了,表现得就像牛顿流体一样。
生活中的应用: 牙膏管的设计,就是为了让牙膏在不挤的时候能保持形状,但又方便挤出。

4. 流变性流体 (Thixotropic fluids) – “时间是治愈伤痕的良药”

最典型的例子: 酸奶、一些颜料、蜂蜜(某些情况下)。
通俗理解: 这种流体的“脾气”和剪切变稀流体有点像,也是越搅越稀。但关键在于,如果它变稀了,你停止搅动,过一段时间,它又会慢慢恢复到原来的“稠”度。就像你把酸奶搅散了,放一会儿,它又会有点重新变得“稠”起来。
背后的原理(简单说): 内部的结构在受到剪切时会被破坏而变稀,但当应力消除后,结构又能在一定时间内缓慢地重新形成。这种恢复过程需要时间,不是瞬间的。
生活中的应用: 很多食品(如酸奶、酱料)的制作和储存,都离不开对这种流变性的控制。

5. 触变性流体 (Rheopectic fluids) – “慢速搅动反而增稠”

最典型的例子: 这种情况相对少见,有些石膏浆、稀释的淀粉溶液在某些条件下可能表现出这种特性。
通俗理解: 和前面几种相反,这种流体在你缓慢、温和地搅动时,反而会越来越“稠”,但如果你猛烈地搅动,它可能又会变稀。
背后的原理(简单说): 这是一个比较复杂的现象,通常与颗粒在低应力下的缓慢重组和排列有关,这种重组会形成更强的相互作用,导致粘度增加。

总结一下,非牛顿流体的“怪脾气”主要体现在:

粘度随剪切率变化: 这是最核心的特征。你施加的力越大、越快,它的粘度就会跟着改变。
时间依赖性: 有些非牛顿流体(如流变性流体)的粘度变化不仅与当前的应力有关,还与它之前经历过的应力历史以及恢复时间有关。
表现出“塑性”: 像宾汉姆塑性体,需要克服一个“屈服应力”才能开始流动。

理解非牛顿流体,就像是在玩一些有趣的物理实验,你可能会发现,我们习以为常的“液体”概念,其实只是冰山一角。这些“怪家伙”虽然听起来有点难以捉摸,但正是它们独特的物理性质,才让我们的生活变得更加丰富多彩,也为科学技术的发展提供了无限可能。下次你再遇到番茄酱挤不出来,或者不小心把玉米淀粉水弄得到处都是时,你就可以自豪地说:“啊,这是非牛顿流体的魅力!”

网友意见

user avatar

非牛顿流体, 其实就是不属于『牛顿流体』的流体。

所以,首先你要弄明白啥叫『牛顿流体』。

我们大家在中学学习的时候,粗略的学习过『液体』的概念,我们知道液体物体的一种没有固定形状,并且具有流动性的物体状态。

而为了更进一步研究,我们把具有流动性,可以连续变形的物体称之为『流体』,气体和液体统统属于流体。其中还包括一些看起来很像是固体,但实际具有流动性的高黏度流体,比如沥青!

那么,固体和流体最根本的区别就是固体在施加应力后会发生弹性形变,在撤去弹性形变后,固体会恢复原状。而当你对固体施加压力是,因为弹性形变的缘故,固体会对你产生一个稳定的支撑力。 所以,你可以站在地面上.

而对于流体,当你对流体施加一个应力后, 流体并不会保持自己的形状,而是向四面八方进行流动。所以流体并不会像固体那样可以给予稳定的支撑力。这是大家日常生活中最常见,最直观的概念。

但是,流体虽然不具备保持自己形状的能力,这并不代表当你对流体施加应力的时候,流体不会产生阻力。当你用手拍水的时候,你可以明显感觉到水给你的阻力。

而越粘稠的流体,给你的阻力越大,而越稀的阻力越小,这个称之为流体的黏度。

那么,由于流体是不具有弹性的,所以流体产生的阻力并不是因为弹性形变,

而是由于,当你对流体施加一定的应力时,流体会发生流动,但是,流体各个部分流动的速度并不相同,不同流层直接流速不同,于是就产生了摩擦力,这个摩擦力就是流体阻力的原因。

不同种类的流体,流层之间流动的情况都不相同。研究不同流体的黏度模式则是流体力学中主要研究课题之一,而牛顿粘性定律率先描述了一种变化,即:

其中 为流体所受的剪应力(单位面积上所受的力), 为流体在垂直方向上的速度变化率。 为流体的黏度。

的含义是,我们在流体内部取一个小液元(dx,dy),液体流动速度在y轴上的分量即为du, 由于液体黏性是不同液层之间的速度差导致的,所以应力和垂直速度变化率成正比。

也就是说,流体所承受的应力和流体垂直方向的速度变化率成正比,而比例系数 即为液体的黏度。

所以现在就很简单了,凡是符合上面『牛顿粘性定律』的流体,就是牛顿流体,常见的有水,空气。

凡是不符合『牛顿粘性定律』的液体,都称之为『非牛顿流体』

而分牛顿流体实际上具有很多种,

首先,可以分为纯粘性和粘弹性流体两大类。

我们知道,弹性是固体的性质,具有恢复形变的能力。而粘性是流体的性质。而同时具有粘性和弹性的流体称之为『弹粘性流体』, 最常见的是鸡蛋的蛋清,蛋清其实是是具有一定的恢复原来形状的能力的,但是又具有流体的性质。

而纯粘性流体又分为『非时变性流体』和『时变性流体』两大类。

时变性流体即流体的黏度会随着时间变化而变化。非时变性流体则是流体的黏度不随时间变化。

非时变流体最为常见,其中又分为『剪切增稠』,『剪切稀化』两大类。

剪切增稠流体,就是我们在各种视频网上经常看到的,被称之为『非牛顿流体』的流体,实际上只能算是非牛顿流体的中一类而已。

一般来说,流体中大量含义固体颗粒的流体,均体现为剪切增稠的特性。

这是因为,在施加外力很小,流体流动速度很小的情况下,流体中的固体小颗粒速度很小,固体小颗粒相互紧密结合,相对摩擦力较小,此时流体的黏度非常小。

而当突然施加大的应力,流体层间流动速度非常快的时候,固体颗粒开始运动,固体小颗粒间间隙变大,固体小颗粒流动时摩擦力变大,从而使得流体的黏度瞬间变大。

这种流体的简应力不在和垂直液体流动速度的变化成正比,故而是『非牛顿流体』。

除此之还有一种与之相反的『剪切稀化』流体, 也就是流体的黏度,随着应力增加而减小的流体。常见的番茄酱,奶油,均属于剪切稀化流体。

除此之外还有一种称之为『宾汉流体』的非牛顿流体。宾汉流体的特点是,当低应力的情况下,黏度非常大,几乎表现为刚性,而在高应力下,流体又突然表现为牛顿流体。 常见的宾汉流体有,『牙膏』,『花生酱』。


所以,没必要被『非牛顿流体』这个专业术语所吓到,这是一个研究流体力学和材料力学中使用到的术语而已,实际上日常生活中能见到的非牛顿流体非常多。我们日常生活中能看到的,又像液体又不像液体的东西,基本上都是非牛顿流体!

类似的话题

  • 回答
    想象一下,我们日常生活中最熟悉的液体,比如水、牛奶、油,它们都表现得非常“乖巧”。你倒它,它就顺着杯子流下来;你搅它,它就乖乖地转;你拿东西放进去,它也就那么静静地待着。这些,都是我们称为“牛顿流体”的典型代表。它们的“乖巧”程度,和施加在它们身上的力(也就是你搅动、倾倒的动作)是成正比的,而且,它.............
  • 回答
    战胜癌魔的新篇章:通俗理解癌症免疫疗法及其重大意义想象一下,我们身体里有一支英勇的军队——免疫系统。这支军队日夜巡逻,识别并消灭入侵的细菌、病毒,以及体内那些不按常理出牌、不断增殖的癌细胞。然而,癌细胞就像狡猾的叛徒,它们学会了伪装,甚至能够悄悄地潜伏在免疫系统的眼皮底下,逃避追捕。2018年的诺贝.............
  • 回答
    好的,我们来用通俗易懂的方式,好好聊聊2018年诺贝尔化学奖的“定向进化”技术,以及它在我们生活中的实际应用。首先,我们得知道这个奖项为什么这么重要。这个奖项颁给了三位科学家:Frances H. Arnold、George P. Smith 和 Sir Gregory P. Winter。他们最重.............
  • 回答
    好的,让我们来通俗易懂地理解一下2017年诺贝尔化学奖授予的“冷冻电镜”技术,以及它对我们生活产生的重大影响。 什么是冷冻电镜?—— 像给分子拍 X 光片,但更清楚!想象一下,你想知道一个非常非常小的东西,比如蛋白质,长什么样子。我们平时用显微镜可以看到一些形状,但如果想看到它最细微的结构,比如它内.............
  • 回答
    想象一下,我们的身体就像一个庞大的城市,而细胞就是这个城市里辛勤工作的市民。这些市民需要氧气才能生存和工作,就像城市需要电力一样。但是,就像城市里的电力供应可能会时有时无,有时候充裕,有时候又很紧张,我们身体里的细胞也需要一种机制来感知和应对氧气浓度的变化。2019年的诺贝尔生理学或医学奖,就是颁给.............
  • 回答
    韦达跳跃:一个关于数论的奇妙故事想象一下,我们生活在一个由数字组成的奇妙世界里。在这个世界里,数字们有着自己的规律和秘密,等待着我们去发现。今天,我们要讲一个关于数字们之间“跳跃”的故事,这个故事的主角叫做“韦达跳跃”。 什么是韦达跳跃?“韦达跳跃”这个名字听起来有点高大上,但其实它描述的是一个非常.............
  • 回答
    想象一下,我们把一大堆特别特别小的粒子,比如原子,放进一个冷得不能再冷的“冰柜”里。这个“冰柜”可不是普通的冰箱,它能把粒子的温度降到接近绝对零度(273.15℃)。当我们把温度降到这么低的时候,这些原子们就变得非常“听话”了。它们不再像平时那样到处乱跑,各自为政,而是慢慢地、慢慢地,开始“黏”在一.............
  • 回答
    嘿,想象一下,我们每个人体内都有一个看不见的“生物钟”,它就像一个精密的计时器,指挥着我们身体的各种活动,比如什么时候该睡觉,什么时候该醒来,什么时候该吃饭,甚至我们体温什么时候最高,什么时候最低。这个神奇的钟,就是我们今天要聊的“昼夜节律”。2017年的诺贝尔生理学或医学奖,就颁给了三位科学家,他.............
  • 回答
    2020年的诺贝尔生理学或医学奖,颁给了三位杰出的科学家:Harvey J. Alter、Michael Houghton 和 Charles M. Rice,以表彰他们在发现丙型肝炎病毒(HCV)方面所做的开创性工作。这项发现的重要性,就好比是在一场漫长而痛苦的斗争中,终于找到了敌人隐藏的身份,从.............
  • 回答
    咱们今天就来聊聊一个在投资理财界经常露面的词儿——内部收益率,也就是IRR。听着挺专业的,但其实用大白话讲,它就是评估一个投资项目值不值得干的一个“尺子”。想象一下,你是个小老板,手里有点闲钱,想做个买卖。 这个买卖呢,不是说今天买明天卖就能赚钱,而是说你得投一笔钱进去,然后这个买卖会持续好几年,每.............
  • 回答
    量子传输:不是“瞬移”,而是“克隆”信息的奥秘你有没有想过,有没有一种办法,能把某个物体的信息瞬间传递到另一个地方,就像科幻电影里的“空间跳跃”一样? 很多时候,我们会把“量子传输”和这种“瞬移”混为一谈,但实际上,它和科幻电影里的那种“把人传过去”的概念,有着本质的区别。通俗点说,量子传输更像是在.............
  • 回答
    咱们聊聊“分布式系统”,这个词听起来有点儿高大上,但其实道理很简单,就像我们生活中经常遇到的一些事情一样。什么是分布式系统?通俗地讲想象一下,你有一项特别大的工作要做,比如要同时管理全国所有客户的订单,或者要处理海量的数据分析。如果一个人(一台电脑)来做,那简直是分身乏术,忙不过来,而且一旦这个人(.............
  • 回答
    嘿,咱们今天来聊聊“极大似然估计法”,听着名字挺高大上的,但其实骨子里是个特别接地气的想法。就好比我们平时在生活里做判断一样,只不过它有了一套数学的规矩。先抛开数学,咱们从生活里找个例子。想象一下,你面前有这么一个盒子,里面装了一些红球和蓝球。你不知道里面到底有多少红球,多少蓝球,只知道球的总数是确.............
  • 回答
    想象一下,你的基因就像一本非常、非常厚的食谱,里面记录了你身体如何建造、如何运转的所有指令。而基因编辑技术,比如CRISPR,就像一把极其精密的“分子剪刀”,它的目标是找到食谱里的一个特定“词语”(也就是DNA序列),然后把它剪掉、替换或者修改。脱靶效应,通俗地说,就是你的分子剪刀不小心剪错了地方。.............
  • 回答
    想象一下,你手里有一堆积木,你想要知道这堆积木总共有多少块。但你就是数不过来,或者积木太多了,数到眼花缭乱。这时候,如果你想用一种“聪明”的方法来估算,蒙特卡洛方法就可以帮上忙了。通俗理解蒙特卡洛方法:瞎猜也得有点门道蒙特卡洛方法,说白了,就是 “大量随机抽样” 来解决那些很难直接计算的问题。它就像.............
  • 回答
    想象一下,你现在正身处一个陌生的大城市,手机没电了,也看不懂路边的指示牌,心里有点儿慌。这时候,如果你能随身携带一个能告诉你“你在哪儿,去哪儿”的小帮手,是不是就觉得踏实多了?北斗卫星导航系统,就像是这样一位随时随地守护着我们的“超级导航员”。要理解北斗,我们可以把它想象成一个巨大的、看不见的“宇宙.............
  • 回答
    咱就聊聊咱们的“中国天眼”FAST,别看它名字里有个“眼”,它可不是个普通的眼睛,更不是用来“看”星星眨不眨眼的。简单来说,FAST 就是一个超级无敌大的“耳朵”,而且是专门用来听宇宙深处传来的声音的。FAST 的“大”和“耳朵”的含义:你想象一下,平时咱们听音乐,用的是小耳朵。但如果有人在很远很远.............
  • 回答
    罗素悖论:一场搅动数学根基的“思想海啸”想象一下,我们一直以来相信的数学大厦,那严谨、有序、无懈可击的逻辑体系,突然被一颗小小的“石子”动摇了根本。这颗石子,就是二十世纪初由哲学家兼数学家伯特兰·罗素提出的那个让无数人心头一震的悖论——罗素悖论。它不仅给当时风头正劲的数学基础研究带来了巨大的冲击,更.............
  • 回答
    温暖的拥抱,刺痛的感受——2021年诺贝尔生理学或医学奖带给我们的惊喜想象一下,你走在冬日寒风中,瑟瑟发抖,然后钻进一个暖烘烘的房间,那一瞬间的舒适感扑面而来。又或者,你不小心碰到了滚烫的炉灶,一股尖锐的疼痛瞬间让你缩回手。这些再寻常不过的体验,我们每天都在经历,但它们背后却隐藏着生物学上极其精妙的.............
  • 回答
    行家们在调查川航那个惊心动魄的备降事件时,提到风挡的密封圈可能出了问题,而且风挡内部好像还有个小小的“夹层”,结果外面来的水汽就悄悄地钻进去了。这话说得可能有点绕,咱们来拆解一下,用大白话聊聊这事儿到底是怎么回事儿。首先,啥叫“风挡”?简单说,飞机前面那块又大又厚的玻璃,就是风挡,也叫挡风玻璃。它可.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有