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一些奇怪的东西-------流变学之时间(二) 黏弹性

已有 4262 次阅读 2017-12-24 10:18 |个人分类:我的流变学|系统分类:科普集锦

上次讲了流体与固体的区别。牛顿和胡克分别发现了关于液体流动和固体变形的规律,得到了近乎完美的表达式。他们那个年代研究的东西,大部分还挺符合这两个表达式的。

但是随着人们研究视野的扩大,逐渐发现这个世界很多东西不是那么理想化,也不是那么黑白分明非此即彼的。用经典的黏性流体和弹性固体的观点来看,这些物质是“strange” “abnormal”的。显然它们介于经典的黏性流体和弹性固体之间,所以称他们为黏弹性体或者黏弹性物质,它们具有的性质称为黏弹性(viscoelasticity)。黏弹性体之于流体和固体有点类似于半导体之于导体和绝缘体。从广义上讲,理想的牛顿流体和弹性固体应该是包含在流变学的研究范围内的。但是它们有各自的经典理论研究它们,所以实际上流变学主要研究的还是这些“strange” “abnormal”的物质。

说到“strange” “abnormal”呢,的确有很多现象奇怪到变态,变态到你可以直接拿到春晚上做魔术表演。

比较有观赏性的就是无管虹吸了。

这个我可是有视频作证的哦,很震撼的,见附件:siphonless.rar。描述如下:拿个铁丝一跳,杯子里面的“液体”就越过杯壁流光了。一个同样到处凑热闹,但是流变学同行们认为是流变学大师的人物(其实人家是物理学家),诺贝尔奖获得者de.Gennes(法语音译德.热纳,英语英译德.),写了一本很好的科普书《软物质与硬科学》。里面介绍了这个实验最原始的配方:1g聚氧乙烯(聚乙二醇)加10L水。

这本书里面还介绍了很多其它经典的例子。比方说挺实用的是所谓减阻现象。针对该现象他举了两个例子。一个是消防员在水里添加少量聚氧乙烯就可以使水射到更高的楼层,从而挽救生命;另一个是“失控的船”,工程师用船做实验,过几个月后无法重复了,最后发现是水藻在作怪。其实更为精彩的是,他讲了用实验来判别理论正确与否的经典例子。聚氧乙烯的水溶液在管子中比纯水流动性更好,这是一件很匪夷所思的事情。一种比较流行的解释是管壁处产生了滑移。可是有人用一个简单实验对这种理论做了一个判断,证明不是至少不仅仅是壁面处的异常造成的。我不好画图不好描述就干脆不说了,你也可以设计下试试哦。

还有其它一些典型现象像二次流、挤出胀大、熔体破裂、剪切变稀、爬杆效应等大部分书上都有,这里就不讲了

最近有些比较火的视频,实际上也是黏弹性的奇怪表现:

http://www.iqiyi.com/w_19rrbiszrp.html  水上漂

https://v.qq.com/x/page/s0558s4i1g9.html? 口香糖刺穿各种水果

https://v.qq.com/x/page/c05591tln77.html?  非牛顿流体在火车压过时像固体一样碎裂

https://v.qq.com/x/page/j0553yjoiyd.html?  子弹无法戳穿 手指可轻松戳穿


看到这些奇奇怪怪的现象,头脑中清晰的流体、固体、黏性、弹性等概念是否又混乱起来了?说好的流动与变形呢,固体与流体呢?为什么有时候似水柔情,有时候铁骨铮铮?黏弹性物质的心思真难猜啊。

在收集这些奇怪例子的视频的时候,发现很多是外国人做的,不得不承认,外国人真会玩儿。其实大部分例子无论怎么玩儿,汽车还是火车还是子弹,在懂流变学的人眼里,并没有什么区别。与流变学课本上经常出现的硅橡胶小球弹跳实验是一样的。

硅橡胶的粘弹性.rar

实验介绍如下:将硅橡胶用手团成一个小球,然后把它快速扔到桌面上,它会表现出很大的弹性,弹跳起来,如果将它放置在桌面上二十分钟,它会慢慢像流体一样摊在桌子上。从讲知识的角度讲,这个示例足够了,但是它显然没有汽车、子弹、口香糖刺水等粒子吸引人。从科普与宣传的角度讲,科学家应该好好补足怎么作秀的功夫。可惜,大部分科学家都是比较忙,比较“懒”(其它方面)的。像我这种不入流算不上科学家的人都不想花时间把这篇文章的视频弄好。

这些现象背后隐藏的一个大秘密,也是破解它的一把钥匙,是黏弹性物质的力学性质的时间依赖性。这个特征被流变学的创始人之一Reiner抽象出一个量来表征,这个量可以作为黏性与弹性,或者说流动与变形在同一物质中所占比例的度量,将我们前面清清楚楚区分开的这些概念又建立了联系。他是一个犹太人,他会读希伯来文的圣经。他认为女先知Debra的一句话,英语没翻译的好,他给出了正确的翻译:“上帝面前,山也是会流动的。”为什么呢,因为上帝眼里的时间跟咱普通人不一样。如果用足够长得时间来观察事物,会发现一切都是流动的。他由此引申出一个指标,Debra数,用De表示。

De =松弛时间/观察时间

De越大,弹性越大。De趋向无穷,则呈现理想弹性;趋向于0,则呈现理想黏性;在1附近,呈现黏弹性。

这篇文章原文很短,见附件The Deborah Number.pdf

再重新看硅橡胶小球的例子,快速拍它的时候它可以触地弹起来,因为,它接触桌面到弹离桌面的时间,这个时间很短,这个时间就是观察时间,这时候,松弛时间除以观察时间远大于1,呈现弹性,此时,弹性小球呈现固体性质。把它放个一二十分钟,它又会像水一样摊开,是因为,一二十分钟的观察时间,已经大于它的松弛时间了,它就可以像流体一样流动了。


与之本质相同的另一个度量,是魏森贝格数Weissenberg Number,Wi

https://baike.baidu.com/item/%E9%AD%8F%E6%A3%AE%E8%B4%9D%E6%A0%BC%E6%95%B0







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1 陈楷翰

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