口香糖+椰子=被打開的椰子？

作者：蔡東民 （寧波材料技術(shù)與工程研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

大院er有一個問題，如果手邊只有榴蓮、橡皮筋、口香糖三種東西，如何選擇其中一種快速打開椰子呢？

用榴蓮以硬碰硬，像錘子一樣砸開椰子？

用橡皮筋勒在椰子周圍，利用橡皮筋的張力把椰子擠爆？不過，這個方法看起來真不省心……

（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

口香糖看起來是最不可能打開椰子的一種工具了，但是！

口香糖開椰子

還真別說，這個方法看上去最簡（bao）單（li）。柔軟的口香糖正是可以快速打開椰子的神器。

口香糖與脹流性流體：吃軟不吃硬

那正確的用口香糖開椰子的姿勢是什么呢？跟著大院er一塊兒學(xué)習(xí)拿出小本本學(xué)習(xí)一下。

首先把幾片沒有嚼過的口香糖揉成一個圓錐形，然后尖端朝上、底端朝下平放在桌子上，接著舉起椰子，用力往口香糖上砸，這時我們會發(fā)現(xiàn)，口香糖不僅不會被砸扁，反而把椰子砸出了一個洞。如此反復(fù)幾次，椰子就能被破開。

椰子砸向口香糖的瞬間，椰汁四溢（圖片來源：http://tv.cctv.com/2016/07/17/VIDEkWMMmQZcJ6DenjKXPnIA160717.shtml）

口香糖究竟是何方神圣？為何擁有如此神力？它就是我們今天要講的主角——非牛頓流體?？谙闾侵杏幸环N膠基的成分，屬于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粘度變大，外力越大，粘度就越大。

當(dāng)椰子以高速撞擊口香糖時，口香糖粘度迅速增大，此時就表現(xiàn)得像固體一樣堅硬，從而扎破椰子堅硬的外殼，而外力一旦撤出之后又恢復(fù)成液體的性質(zhì)。而如果外力作用小而緩慢，就會表現(xiàn)得和普通液體一樣，具有流動性，是一種吃軟不吃硬的家伙。這種流體在發(fā)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。淀粉溶液、海灘上的濕沙、混凝土漿等都屬于這類流體。

人在脹流性流體上面施展“凌波微步”絕技（圖片來源：作者提供）

脹流性流體被擊中瞬間，像固體一樣碎裂（圖片來源：優(yōu)酷視頻）

脹流性流體粘度的改變，可以認為和它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即發(fā)生切力增稠時，流體內(nèi)部形成了某種結(jié)構(gòu)。脹流性流體通常為多相混合物，比如海灘上的濕沙，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(guī)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(dāng)有人一腳踩在沙子上，原本緊密堆積的結(jié)構(gòu)被破壞，沙粒間產(chǎn)生“錯位”使得體積增大；同時水被迫向周圍運動，流動發(fā)生紊亂，阻力增大，而沙子也因為失去潤滑劑的作用，流動更加困難。海灘上滲入海水的沙面比干沙子好走，就是因為濕沙的這種特性使腳不容易陷下去。

腳踩濕沙前后結(jié)構(gòu)的變化（圖片來源：高分子材料流變學(xué)。吳其曄，巫靜安編）

賓漢流體：有時像固體，有時像液體

既然有非牛頓流體，就必然有牛頓流體。剪切應(yīng)力和剪切速率符合牛頓流體公式的流體都屬于牛頓流體，水、空氣都是牛頓流體。它們的剪切應(yīng)力和剪切速率成正比關(guān)系。而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，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(nèi)的血液、細胞液都是非牛頓流體。

各種流體的流變特性（圖片來源：作者提供）

賓漢流體的剪切應(yīng)力和剪切速率也是成線性關(guān)系，但與牛頓流體不同的是，它有一個屈服應(yīng)力，只有當(dāng)外力大于屈服應(yīng)力時它才會發(fā)生流動。

最典型的賓漢流體就是牙膏，在沒有外力作用是，它看上去像固體。只有當(dāng)我們用力擠牙膏時它才會從管子“流”里面出來，被擠到牙刷上時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，像洗面奶、護手霜之類的東西也是賓漢流體。建筑上用的油漆也需要設(shè)計成賓漢流體，我們既要求它在攪拌和涂刷時能夠流動，同時也要求它在涂到墻上之后不會因為重力的作用而從墻上流下來，也就是說油漆的屈服應(yīng)力應(yīng)該大于自身重力。

牙膏是典型的賓漢流體（圖片來源：百度）

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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有一定的強度，能夠抵擋較低的外力；當(dāng)外力足夠大時，三維結(jié)構(gòu)被破壞，填充物才能隨著溶劑一起流動。

假塑性流體：欺軟怕硬

假塑性流體表現(xiàn)出來的性質(zhì)和脹流性流體恰恰相反，在低剪切速率下粘度保持為常數(shù)，當(dāng)剪切速率增大，粘度反而減小。也就是說給它施加的外力越大，它表現(xiàn)出來的粘度越小。所以它也叫做切力稀化流體。如果說脹流性流體吃軟不吃硬，那么假塑性流體就是欺軟怕硬的家伙。

很多高分子液體屬于這類流體。流體的粘度可以理解為流體內(nèi)分子之間的摩擦力，摩擦力越大，它的粘度就越大。高分子液體中的溶質(zhì)是一種分子質(zhì)量很大、結(jié)構(gòu)很長的分子，在沒有外力的情況下，它們通常呈卷曲狀態(tài)，分子之間的可能會相互纏結(jié)、碰撞，摩擦力比較大；當(dāng)有外力存在時，卷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，因而粘度也降低了。

高分子溶液的高分子在受剪切力前成卷曲狀態(tài)，受剪切力后發(fā)生平行排列（圖片來源：高分子材料流變學(xué)。吳其曄，巫靜安編）

血液、巖漿、酸奶、番茄醬、洗發(fā)水也都屬于假塑性流體。當(dāng)我們緩慢攪拌酸奶或番茄醬的時候，會發(fā)現(xiàn)比較費勁，而攪拌得快了，反而會更加輕松，其實就是這個道理。假塑性性流體還有一個很有趣的現(xiàn)象——凱伊效應(yīng)。當(dāng)一束高粘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。

用洗發(fā)水演示的凱伊效應(yīng)——被容器表面反彈回去的弧形小水流（圖片來源：http://www.xinhuanet.com/science/2018-09/02/c_137424928.htm）

仔細觀察實驗現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)生反射的水流的下方總是積聚了一層流體，再結(jié)合假塑性流體的性質(zhì)，整個過程應(yīng)該是這樣的：快速下落的液束對下方的黏性流體堆造成沖擊，流體表面因為受到?jīng)_擊力，粘度變小，受到撞擊后形成一個酒窩狀的凹坑，同時粘度降低的表面充當(dāng)潤滑劑的作用，最終使得下落的液束被反射出去。

凱伊效應(yīng)的原理示意圖（http://www.xinhuanet.com/science/2018-09/02/c_137424928.htm）

下次當(dāng)你準備吃椰子的時候，不妨試一下用口香糖開椰子，前提是，你得有一盒口香糖！