非牛顿流体——为什么软口香糖能戳穿硬椰子壳？

weixin

口香糖戳穿椰子壳现象
将刚咀嚼好的（软）口香糖捏成一锥形，然后正对丢下一完好的椰子，碰撞后发现：口香糖已经完全嵌入到了椰子壳中，而且椰子壳还开裂了条缝。

口香糖破椰子壳（图摘自网络）

竟然还有这种操作？到底是什么原理？本文将揭晓其中的奥妙。

  非牛顿流体  

其实，咀嚼完全的口香糖是一种非牛顿流体。日常生活和工业生产中，遇到的淀粉液、面团、膏体、肉糜、泥浆、凝胶流体等也都是非牛顿流体。相反，牛顿流体则是空气、水、各种气体和润滑油等一类的流体，一般情况下粘性相对稳定。

非牛顿流体特性

生活中，非牛顿流体往往会表现出一些奇妙的特性，如膨大性、剪切变稠、剪切变稀、拔丝性（能拉伸成极细的细丝）等。

一、挤出膨大效应
膨大效应，主要来源于非牛顿流体（一般是高分子物质）内分子链储存弹性势能的能力。受到挤压时，流体压缩；脱离挤压空间后，流体内分子链的弹性势能释放，产生回弹效应，宏观上表现为流体膨胀。

由于面条具有挤出膨大效应，面条机模具的出面小孔应该设计得比要求的面条横截面小一些。

面条机模具（图摘自网络）

在制作裱花蛋糕时，可以看到挤出奶油或奶酪的孔很小，但挤出的奶油或奶酪条却比小孔粗很多，这也是挤出膨大效应的体现。

奶酪挤出图（图摘自网络）

二、剪切变稠效应
对于剪切变稠型的非牛顿流体，主要特征是：流体的粘度会随所受压力或剪切的增强而增加，甚至成为暂时性的固体。

因此，口香糖破椰子壳的原理也就不难解释了：当口香糖受到强烈冲击时，粘度会瞬时增加，以至变得比椰子壳还坚硬，从而戳进椰子壳中并让其开裂。

淀粉溶液：
快速揉淀粉溶液时，溶液会呈现固态，然而停止揉搓后又立即变为液态。

快速揉搓淀粉溶液（图摘自网络）

网上很火的“walking on pool of cornstarch”（行走在玉米淀粉浆池中）也是借助了淀粉浆的剪切变稠特性。如果行走速度很低，人就有可能陷入到液体中。

图摘自网络

将玉米淀粉加水混合后置于音箱上用重低音轰炸，会看到液体以类似固体的形态随着强劲的音乐节奏不断舞动。

音响上的流体（图摘自网络）

液体防弹材料：
用手指轻微扰动时，和普通的粘稠液体差不多；用拳头猛砸时，流体变成硬实的类固体状态。冲击越猛烈，这种特征越显著，因此具备防弹特性。

轻微挠动防弹材料（图摘自网络）

重锤击打防弹材料（图摘自网络）

减速带：
行车速度越快，流体硬度越大，对车的跌宕越厉害；行驶速度越慢，减速带流体越软，对车的损坏越小。不过，由于减速带被扎破而引起流体溢出的问题，让其较难推广。

减速带对比（图摘自网络）

另外，肉馅、芝麻酱等也是剪切变稠型流体。例如，肉馅越搅拌越费力，芝麻酱越搅拌其固体状越明显。

三、剪切变稀效应
跟剪切变稠型流体刚好相反，剪切变稀型流体的粘度会随压力或剪切的增强而降低。

酸奶：
刚拆开的酸奶会比较稠，如果搅拌几下，酸奶会变得比较稀，再用吸管吸食会轻松很多。

搅拌后变稀的酸奶（图摘自网络）

牙膏：
一般在不挤压的情况下，牙膏是不会流动的，但当很快挤出时会明显呈现液态。

快速挤牙膏过程（图摘自网络）

日常用品中，例如洗发露、番茄酱等也都是剪切变稀型的非牛顿流体，使用时挤得越快越省力。

四、拉丝效应
各种拔丝食物（拔丝菠萝、拔丝香蕉、拔丝红薯等）都是用熔化的蔗糖做成的，而熔化的蔗糖具有拉丝特性，能够拉出亮晶晶的细糖丝。

拔丝食品（图摘自网络）

棉花糖：
棉花糖也是将白砂糖颗粒加热熔化后，利用快速旋转的剪切效应将糖浆牵拉成细丝制作成的。

棉花糖（图摘自网络）

糖葫芦：
制作糖葫芦时，将挂满热糖浆的山楂串一甩便会拉出一条条的细丝，这也是非牛顿流体的拉丝效应。

糖葫芦糖浆拉丝（图摘自网络）

生活中的非牛顿流体数不胜数，仔细观察便会发现其中的很多奇妙现象，不妨一试。

参考文献：
[1] 姜楠,田砚. 舌尖上的非牛顿流体[J]. 力学与实践,2017,39(01):89-92.

来源：神奇的流体微信公众号，作者：宫华胜。