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怎么在水面行走?
沼泽多令人恐惧啊。
当我还是个孩子的时候,我的父母带我去了沼泽地,这让我非常不安。
我特别害怕自己会被困在流沙里,身体一点点地被吞噬,自己无能为力。
我想大概是我看过太多的“泰山”
系列的电影了。
不过从那时起,我便对流体世界很感兴趣,因为有些流体是非常罕见的存在。
有些流动得很缓慢;有些流体在你击打它们的时候会变得僵硬;在有些流体上,你甚至可以行走。
流体是一种在分子间只有微弱引力的物质,可以在没有任何外力(阻力或是试图恢复其原始形态的力)的情况下改变形状。
人们常说流体是以容器的形式存在的,比如说,你把水倒进杯子里,那流体就拥有了杯子的形状;你把水倒进瓶子里,流体就是瓶子的形状。
我们日常生活中最常见的流体是水,没有水,生命本身就不可能存在(毕竟人体的70%都是水)。
我们往往用黏度来描述流体的特征。
黏度指在外力作用下,流体对流动所表现的阻力。
比如说,水的黏性很小,当我们把水从水壶里倒到杯中时,在重力的作用下,水会很顺利地流下来。
相反,当我们把蜂蜜从罐子里倒在吐司上时,它流动得很慢,也就是说,蜂蜜是一种非常黏稠的**,而从罐子到勺子之间的涓涓细流很难被切断。
黏度取决于分子间的相互吸引力,吸引力越强,流体的黏性越大。
我们也可以讨论黏度近乎零的流体,也就是所谓的超流体,但我们在日常生活中很难看到它们,因为超流体的必需条件为温度接近于绝对零度(几乎所有的元素都会在绝对零度时冻结,但是你可以得到超液态氦,它有着惊人的特性,比如说顺着容器壁向上逃逸之类的)。
基本上,我们可以区分牛顿流体和非牛顿流体,前者的黏度是恒定的,如水、葡萄酒或汽油,而后者的黏度随温度及剪应力的变化而变化,如凝胶、血液或者植物树脂,当这些流体被留在容器中时会保持流动,一旦被外力压缩,则会变成固体。
事实上,非牛顿流体最好用它在流变学[流变学:连续介质力学的一个分支,专门研究物体的变形与流动。
]中的其他的性质来定义,而不是用黏度来定义。
举个例子,当你试图在非牛顿流体表面上轻轻、缓慢地行走时,你一定会陷下去,就像掉进了流沙中一样,但如果你以很快的速度行走并且重重地跺脚,你就能毫无困难地越过它。
该特性在现实中有着成百上千的应用,比如塑料、胶水、有机硅、尼龙、橡皮泥、防滴涂料,还有防弹背心,它能吸收子弹撞击的能量,但又不妨碍我们穿着它灵活移动。
科学逸事:怎样在课堂上制造出一个非牛顿流体呢?YouTube上有很多相关视频,你只需要将玉米淀粉和水以3:2或者4:2的比例混合,就能成功地制造出既便宜又无害的“欧贝克”
[在儿童故事《巴塞洛缪与欧贝克》中,主角需要将他的王国从一种叫作“欧贝克”
的黏性物质中拯救出来。
],你可以慢慢、轻轻地把手伸进容器里,检查手是否能像浸入水中一样浸入非牛顿流体中。
接下来,你可以试着用锤子或者拳头猛击流体表面—千万要小心,别伤到自己—因为你的手或锤子会反弹,别忘了好好观察自己惊讶的表情。
类似地,你可以在这种流体上面行走而不会下沉,但又无法在上面静立,当然,除非你是耶稣基督—圣经故事里记载,耶稣可以在属于牛顿流体的水面上行走。
顺便说一下,在电视科普节目《蚁窝》或电视剧《生活大爆炸》中都用非牛顿流体做过类似的实验。
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