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标题中的“倾酒杯空,倒油迟滞”,引自科学网博主郑中老师的一篇译诗。关于这首诗,后面会谈到。我们先来说说流变学的一个重要概念──粘度。
粘度这个概念来自人们日常生活的经验。下过厨房的人都知道花生油比醋“粘稠”。粘度的科学定义则始于牛顿。1687年,也就是虎克发表了弹性定律九年之后,牛顿在《自然哲学的数学原理》(Principia)一书中发表了他研究稳态剪切流动的结果。用现在的话来说就是,剪切应力和剪切速率成正比,这个比例常数便称为“粘度”。凡是服从牛顿所描述的规律的流体,我们叫它牛顿流体。
牛顿流体的黏度是材料的性质。不同的流体通常有不同的粘度(当然也有可能相同),但是为什么呢?这是当代结构流变学的一个课题,其实两千多年前就有人在思考这个问题并给出一个大体上不离谱答案。这人便是古罗马哲学家和诗人Lucretius(公元前99-55年)。Lucretius相信物质由“基本粒子”组成。他用拉丁文写了一部长诗De Rerum Natura,英文通常译作“On the Nature of Things”,中文熟知的译名是《物性论》。全诗洋洋数千行,其中有这么几句:
We see how quickly through the colander
这段诗,科学网博主郑中老师的译文是:
如倾酒杯空,倒油迟滞。
你看,酒浆流过漏勺何等畅快,
Lucretius的观点,在今天看来,固然有不少不正确之处,但一个两千年前的诗人,就认识到材料的宏观流动行为取决于其微观物质粒子的大小及其形态,是令人惊叹的。
我们如今把能单独存在、并保持纯物质的化学性质的最小粒子称为分子。粘度和分子大小的关系,从Lucretius的时代算起,经过了将近两千年,才在1905年被爱因斯坦在其博士论文中用理论方法证明了。爱因斯坦把经典的流体动力学和扩散理论相结合,推导出溶液的黏度和溶质的分子大小之间的定量关系,创造了从流动现象来测定分子大小的方法。他的这篇论文和同年他发表的另一篇关于布朗运动的论文,为结构流变学提供了重要的思路。
流变学最感兴趣的材料是高分子材料。高分子材料的性质既不同于虎克的弹性固体,也不同于纯粘性的牛顿流体,我们通常要用“粘弹性”来描述。流变学者们认为高分子之间的缠结是高分子材料粘弹性行为的原因,并据此发展了网络模型和管式蠕动模型。这又让人想起了Lucretius诗歌里所描述的“ crook'd and entangled”(弯弯曲曲纠缠不开)的图像。
Lucretius雕像(取自网上)
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GMT+8, 2024-11-20 13:28
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