非牛顿流体做法,用牙膏自制非牛顿流体

在1687年，艾萨克·牛顿发表了一项关于水作为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验设置中，两平行平板间充满水，其中下平板固定不动，而上平板在其自身平面内以恒定速度U向右运动。附于上下平板的流体质点的速度分别为U和0，而两平板间的速度则呈现出线性分布，从而得出了著名的牛顿粘性定律。

此定律的数学表达式中，τ代表作用在上平板流体平面上的剪应力，du/dy代表剪切应变率，而斜率μ则是粘度系数。

在随后的1845年，斯托克斯基于牛顿的实验定律进行了进一步的假设和推导，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程以及广为人知的纳维-斯托克斯方程。

经过进一步的研究发现，牛顿粘性实验定律（及其基础上的纳维-斯托克斯方程）在描述像水和空气这样低分子量的流体时是适用的。对于描述高分子量流体的行为时，剪应力与剪切应变率之间的关系不再满足线。为了区分这两种情况，满足线的流体被称为牛顿流体，而不满足线的流体则被称为非牛顿流体。

非牛顿流体在自然界中广泛存在，如生物流体中的血液、淋巴液、囊液等，以及细胞质等半流体。在工业生产中常见的聚合物熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体也大多属于非牛顿流体。

非牛顿流体的特性多种多样，包括射流胀大、爬杆效应、无管虹吸以及湍流减阻等。这些特性使得非牛顿流体在工业应用中具有独特的优势。例如，射流胀大现象在口模设计中具有重要作用；爬杆效应则在设计混合器和输运泵时需考虑其影响；而无管虹吸特性则是合成纤维具备可纺性的基础。通过在牛顿流体中加入聚合物添加剂，可以改变其性能并转变为非牛顿流体。

无论是日常生活还是工业生产中，我们常常会遇到各种非牛顿流体的应用场景。这些流体的奇妙特性为工业生产和科学研究提供了新的思路和方法。对于感兴趣的读者，可以进一步查阅相关文献以深入了解非牛顿流体的其他特性。

参考文献：

[1] 牛顿. 自然哲学的数学原理. 北京：科学出版社，17世纪末

[2] 斯托克斯. 流体动力学理论. 伦敦：剑桥大学出版社，1845

[3] 生物流变学. 北京：科技出版社，待补日期