我们每天早上起床后都会刷牙,可是你有没有想过,为什么牙膏在无外力作用时看似为固体,即便把牙膏管倒过来,牙膏也不会流出来?当牙膏管受到挤压后,为什么牙膏便从管内“流”出来?当牙膏被挤到牙刷上无外力作用时,又能继续保持固定形态不变形?这种神奇现象的存在要从流体的性质说起。
流体在我们生活中非常常见,水、空气、血液、酱油、胶水都是典型的流体,而牙膏也是一种流体。流体由众多分子组成,而分子间存在较大的间隙,因此分子的平衡位置始终处于运动状态,这就是物体的流动性。正是由于这种流动性,流体在外力作用下各部分之间会发生相对运动,发生相应的形变。不同流体的流动难易程度和流动速度各不相同。比如,在相同的外力作用下,水要比油更容易流动,且流速也相对较大。这是因为流体内部的内摩擦力对流动起到了阻碍作用,而不同流体的内摩擦力有所不同。液体的内摩擦力被称为流体的黏度,是量度液体流动性的一个基本物理量。
流体流经固体表面时,流体分子间强大的吸引力和造成流体的内聚力,以及流体与固体之间存在着的附着力,都会造成流体内部层与层之间出现速度差,运动较慢的液层会对运动较快的液层起到阻滞作用。如果要保持一定的速度梯度即维持稳定的流动,就需要对液体施加恒定的力,即剪切应力,简称切力。
在层流条件下,牛顿流体单位上的剪切力和速度梯度成正比关系,符合这种关系的流体都被称为牛顿流体,比如纯液体(如水、甘油等)、小分子的稀溶液或分散相含量很少的分散体系等。而不符合牛顿公式的流体则被称为非牛顿流体,牙膏就是一种叫做宾汉流体(又称塑性流体)的非牛顿流体。与牛顿流体相同的是,宾汉流体的剪切应力和剪切速率也是成线性关系。但宾汉流体存在一个屈服应力,其流动的前提条件是外力必须大于屈服应力。
除了牙膏之外,日常用的洗面奶、护手霜等都有此特性。房屋装修用的油漆也属于宾汉流体,在搅拌和涂刷时其能够流动,但在涂刷在墙上后便不会因为重力而变形。由此可知,油漆的屈服应力也是大于其自身重力的。
宾汉流体中的填充物形成了三维网状结构,具有一定的强度。受到的外力较小时,能够阻挡外力;受到的外力较大时,这种三维网状结构则被破坏,随即发生流动。所以当你挤牙膏时,它才会从管子里面“流”出来。
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