牙膏是我们非常熟悉的日用品之一,因为我们每天都要刷牙,每天都要挤牙膏。
说到挤牙膏,你是否想过,为什么牙膏必须被挤压才会出来,为什么不能倒出来?
还有,我们可能对这一极其平常的物品甚至缺乏更多的认识,比如,牙膏是液体还是固体?
已有的物质形态知识可以让我们很容易说出哪些东西是液体,哪些是气体或固体,但对于牙膏似乎没有合适的描述。
那么,牙膏到底是什么东西呢?
牙膏原来是非牛顿流体
牙膏属于非牛顿流体,更具体地说应该是属于宾汉流体,宾汉流体是非牛顿流体中的一种。
非牛顿流体在物理学中的定义是不满足牛顿黏性实验定律的流体,即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。
而我们可以简单的理解为非牛顿流体是一种“吃软不吃硬”的流体,你速度越快,它会越硬,你速度放慢,它则表现得很软。
轻功水上漂虽然没人能在水中做到,但在非牛顿流体中这种武林神技是完全可以实现的。
绝大多数生物液体,也就是生物体内的液体都属于非牛顿流体,像血液,淋巴液,细胞质等。
我们熟知的石油,油漆,豆浆,蛋清,融化了的巧克力以及面团其实也都是非牛顿流体,揉过面的朋友应该深有体会。
宾汉流体又被称为宾汉塑性流体或宾汉塑料,它是一种特殊的非牛顿流体,生活中常见的例子就是牙膏和油漆。
它的特殊之处在于:当它所受到的力达到某一临界值时,它才会开始流动。而低于这个临界值时,它则是普通的弹性体。
这个描述是不是与我们平时挤牙膏的经历完全相符合呢!
有的牙膏很容易挤出来,而有的就比较费劲了,这是因为不同牙膏它们所需要的力的临界值不一样。
当然,基本上所有的牙膏的重力都是比它的临界值小的,这也是为什么牙膏不会流出来的原因。
同样的道理,涂刷在物体表面的油漆也不会轻易地流下来。所以我们必须用刷子将它均匀的涂抹开来。
彩条牙膏的颜色为什么不混合?
彩条牙膏的不同颜色是在生产时按不同的比例灌进去的,即使是挤出的牙膏,不同颜色的位置依然整整齐齐。
上面说过,宾汉流体的基本特性是受力时会流动,不受力时则呈普通弹性。静止的时候,也就是不挤牙膏时,牙膏呈现普通弹性,这种状态其实更类似于固体,所以不同颜色基本上不会混合。
而且,厂家为了防止不同颜色会相互渗入,还在牙膏里添加了一种高分子试剂,这样牙膏就更不容易混合了。
静止的牙膏颜色不混合很容易理解,为什么挤出的牙膏不同颜色依然不会混合呢?
图为:雷诺数计算方程式
这其实与流体的流动有关。
流体的流动一般具有层流和紊流两种形式,从字面就可以理解,前者是“有层次的流动”,而后者是“紊乱的流动”。
牙膏被我们挤出来的过程就属于层流,因为是有层次的流动,所以它的各部分依然是各居其位,整整齐齐。
层流与紊流都是流体力学中的概念,如何区分一种液体的流动是层流还是紊流呢?
这就要用到雷诺数了。
雷诺数是流体的惯性力与粘性力的比值。当比值较小时,说明粘性力比惯性力的影响大,反之说明惯性力比粘性力的影响大。
前一种情况下流体的流动稳定,呈现层流,后一种情况下流体的流动不稳定,呈现紊流。
对于管道中的流体,雷诺数小于2300的流动是层流,雷诺数等于2300~4000为过渡状态,雷诺数大于4000时的是湍流。
牙膏被挤出的过程相当于在管道中流动,我们可以推测牙膏的雷诺数是小于2300的。
非牛顿流体是固体还是液体?
既然牙膏是非牛顿流体,那我们问非牛顿流体是液体还是固体,比牙膏是固体还是液体更有意义。
非牛顿流体是固体还是液体,这个问题就像液晶是固体还是液体一样,目前并没有明确的定论。
一般认为,非牛顿流体是介于液态与固态之间的一种状态,既不属于液体也不属于固体。
随着越来越多的物质状态被发现,通常的物质的气液固三大基本形态肯定是无法涵盖所有物质的。
最后
挤牙膏是一件稀松平常的事,但现在你知道了,为什么只有通过挤压,牙膏才会从牙膏管中出来,而且也知道了为什么不同的牙膏挤出来需要的力也不相同。
是不是突然觉得挤牙膏也是很有意义的一件事?
当然了,做事可不要像“挤牙膏”一样拖拖拉拉,那可是会被人吐槽的。
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