在蛋奶冻上行走:剪切增稠液

遇到一种物质,当被推时它会变成固体……
11月19日

采访

Mazi Jalaal和Mike Cates,剑桥大学应用数学和理论物理系

WALKING-ON-CUSTARD-PHIL-SANSOM.jpg

剪切增稠流体,也被称为非牛顿流体,在受到推动时变成固体和刚性

分享

你知道你可以在蛋奶冻上走路吗?这是真的!尤其是用蛋奶粉做的蛋奶冻。这是因为蛋奶粉主要是玉米淀粉,当你把玉米淀粉和一点水混合在一起时,你会创造出一种液体,当你试图快速移动它时,它就像固体一样。这种东西在儿童科学演示中被亲切地称为“欧不裂”。这是一个很好的非牛顿流体的演示,特别是一个“剪切增稠”的流体,这意味着它变得更厚,更粘,你施加的剪切力越大。菲尔·桑索姆试着为自己做了一些……

菲尔-哦,看起来不太好。噢,不!

玛兹-你不会想走在上面的。

菲尔-那是液体!

麦兹-是的,这是一种很有流动性的蛋奶冻。我觉得你根本不想吃。

这是我和流体动力学家Mazi Jalaal。我们如此失望的原因是,虽然你可以在蛋奶冻上走路,但你不能按照罐头背面的食谱来做。下面是Mazi解释它应该如何工作。

Mazi:我们熟悉的大多数液体,比如水或蜂蜜,都是牛顿流体。所以基本上这意味着它们有一个恒定的粘度。但是许多物质——就像许多食物一样——它们的反应取决于你推动它们的速度和力度。

菲尔-所以如果你用力打它,它会变得更粘稠?对吗?

再一次,这取决于材料。让我们以番茄酱为例,这是一种非常常见的剪切变薄材料。番茄酱,如果你拿着它,它不会出来;但如果你对它施加足够的压力,它就会开始流动。所以我们基本上以某种方式使它屈服,之后它看起来像一种剪切变薄的材料,这意味着你施加的压力越大,它流动得越快。

菲尔-这就是为什么你要砸番茄酱瓶把番茄酱弄出来。

Mazi -你就是这么做的。

菲尔:那是剪切变稀,你施加的力越大,液体就越稀。另一种类型的非牛顿流体就像玉米淀粉和水:这是剪切增稠,当你对它施加力时,它会变得更稠。当这些微小的颗粒悬浮在液体中时就会发生这种情况。

例如,在玉米淀粉中,基本上有相互作用的淀粉颗粒。这就产生了这种奇怪的行为。基本上,这些悬浮液是在水中,如果你用力按压它们,淀粉的固体颗粒就会开始相互摩擦。

这是否适用于其他地方的其他材料?

Mazi -它适用于几乎任何你能想到的工业流体。化妆品行业、石油行业……你所处理的大多数流体都不是牛顿流体。

菲尔:像这样研究流动物质的科学叫做流变学。如果你是一个像Mazi一样的流变学家,你可能想要设计一种材料,使其具有完美数量的剪切变薄或剪切增厚。现在这个东西可以变得有点极端。我去卢卡斯大学数学教授迈克·盖茨那里了解了更多。

麦克-有个叫诺曼·瓦格纳的家伙和美国国防基金机构签了一份大合同。他们想知道,如果你真的朝这种液体射击,它是否能阻止子弹。答案是:不完全如此。你要做的是,你要得到一些剪切增稠流体你要把它压在凯夫拉尔的层之间。那么这种组合似乎确实有能力,阻止刺伤,可能还有子弹。

菲尔-是的,你没听错。防弹奶油。

迈克:致密的蛋奶粉悬浮液是一种流体;我们知道它是如何变稠的,它会卡住;尽管如此,它还是会折断,飞成碎片。但如果你把它放在外面有凯夫拉纤维层的三明治里,它就会被夹住。这种组合可以使弹丸停止;也许是一颗子弹。

菲尔-我们说的是玉米淀粉,蛋奶粉吗?

玉米淀粉实际上已经成为一个很好的基准模型系统。它的相互作用恰到好处;非常硬的粒子;很顺利;它们之间也有一些排斥力。而玉米淀粉,当你把它放入水中,它的粒子就会带电,所以它们会自动产生排斥力。当然,还有更复杂的合成系统,你可以制造出特定尺寸的完美球形粒子;在某些特定的应用中,其中一些肯定比玉米淀粉更好,比如防弹背心。特别是玉米淀粉在水中,如果你几周后回来会很臭。细菌喜欢玉米淀粉; they're going to eat your clothes.

所以也许不要指望伯德会成为头号军事承包商。不管怎样,回到我和玛兹,我们成功完善了配方。

Mazi,这个差不多有四分之三的蛋奶粉和四分之一的水。现在你看到的是剪切增稠流体。

菲尔-管用吗?

Mazi -它实际上工作得很好。

菲尔:我能试试吗?哦耶,哇!当你试着混合的时候真的很难,但是当你把它滑过液体的时候就很容易混合了。这很奇怪。

评论

添加注释