口香糖+椰子=被打开的椰子？-

作者：蔡东民（宁波材料技术与工程研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

大院er有一个问题，如果手边只有榴莲、橡皮筋、口香糖三种东西，如何选择其中一种快速打开椰子呢？

用榴莲以硬碰硬，像锤子一样砸开椰子？

用橡皮筋勒在椰子周围，利用橡皮筋的张力把椰子挤爆？不过，这个方法看起来真不省心……

（图片来源：网络）

口香糖看起来是最不可能打开椰子的一种工具了，但是！

口香糖开椰子

还真别说，这个方法看上去最简（bao）单（li）。柔软的口香糖正是可以快速打开椰子的神器。

口香糖与胀流性流体：吃软不吃硬

那正确的用口香糖开椰子的姿势是什么呢？跟着大院er一块儿学习拿出小本本学习一下。

首先把几片没有嚼过的口香糖揉成一个圆锥形，然后尖端朝上、底端朝下平放在桌子上，接着举起椰子，用力往口香糖上砸，这时我们会发现，口香糖不仅不会被砸扁，反而把椰子砸出了一个洞。如此反复几次，椰子就能被破开。

椰子砸向口香糖的瞬间，椰汁四溢（图片来源：http://tv.cctv.com/2016/07/17/VIDEkWMMmQZcJ6DenjKXPnIA160717.shtml）

口香糖究竟是何方神圣？为何拥有如此神力？它就是我们今天要讲的主角——非牛顿流体。口香糖中有一种胶基的成分，属于非牛顿流体中的切力增稠流体，这种流体在大的外力作用下粘度变大，外力越大，粘度就越大。

当椰子以高速撞击口香糖时，口香糖粘度迅速增大，此时就表现得像固体一样坚硬，从而扎破椰子坚硬的外壳，而外力一旦撤出之后又恢复成液体的性质。而如果外力作用小而缓慢，就会表现得和普通液体一样，具有流动性，是一种吃软不吃硬的家伙。这种流体在发生增稠时体积会略微膨胀，所以切力增稠流体也叫胀流性流体。淀粉溶液、海滩上的湿沙、混凝土浆等都属于这类流体。

人在胀流性流体上面施展“凌波微步”绝技（图片来源：作者提供）

胀流性流体被击中瞬间，像固体一样碎裂（图片来源：优酷视频）

胀流性流体粘度的改变，可以认为和它内部的结构有关，即发生切力增稠时，流体内部形成了某种结构。胀流性流体通常为多相混合物，比如海滩上的湿沙，是沙子和水的混合物。在没有外力作用或者外力作用很小时，不规则的沙粒紧密堆积，水可以均匀地填充在沙粒之间的间隙中，起到润滑剂的作用。当有人一脚踩在沙子上，原本紧密堆积的结构被破坏，沙粒间产生“错位”使得体积增大；同时水被迫向周围运动，流动发生紊乱，阻力增大，而沙子也因为失去润滑剂的作用，流动更加困难。海滩上渗入海水的沙面比干沙子好走，就是因为湿沙的这种特性使脚不容易陷下去。

脚踩湿沙前后结构的变化（图片来源：高分子材料流变学。吴其晔，巫静安编）

宾汉流体：有时像固体，有时像液体

既然有非牛顿流体，就必然有牛顿流体。剪切应力和剪切速率符合牛顿流体公式的流体都属于牛顿流体，水、空气都是牛顿流体。它们的剪切应力和剪切速率成正比关系。而只要是剪切力和剪切速率不符合牛顿流体公式的流体，都称为非牛顿流体，除了胀流性流体外，还包括假塑性流体和宾汉流体。厨房中的各种酱料、油、高分子溶液、泥浆，乃至生物体内的血液、细胞液都是非牛顿流体。

各种流体的流变特性（图片来源：作者提供）

宾汉流体的剪切应力和剪切速率也是成线性关系，但与牛顿流体不同的是，它有一个屈服应力，只有当外力大于屈服应力时它才会发生流动。

最典型的宾汉流体就是牙膏，在没有外力作用是，它看上去像固体。只有当我们用力挤牙膏时它才会从管子“流”里面出来，被挤到牙刷上时也依然能够保持一定的形状而不会“趴”下去。如果不去挤它，即使你把牙膏管倒过来，它也不会流出来。同样的我们可以推测，像洗面奶、护手霜之类的东西也是宾汉流体。建筑上用的油漆也需要设计成宾汉流体，我们既要求它在搅拌和涂刷时能够流动，同时也要求它在涂到墙上之后不会因为重力的作用而从墙上流下来，也就是说油漆的屈服应力应该大于自身重力。

牙膏是典型的宾汉流体（图片来源：百度）

同胀流性流体一样，宾汉流体也是一种多相混合物。一般认为，宾汉流体中的填充物形成了三维网状结构，这种结构具有一定的强度，能够抵挡较低的外力；当外力足够大时，三维结构被破坏，填充物才能随着溶剂一起流动。

假塑性流体：欺软怕硬

假塑性流体表现出来的性质和胀流性流体恰恰相反，在低剪切速率下粘度保持为常数，当剪切速率增大，粘度反而减小。也就是说给它施加的外力越大，它表现出来的粘度越小。所以它也叫做切力稀化流体。如果说胀流性流体吃软不吃硬，那么假塑性流体就是欺软怕硬的家伙。

很多高分子液体属于这类流体。流体的粘度可以理解为流体内分子之间的摩擦力，摩擦力越大，它的粘度就越大。高分子液体中的溶质是一种分子质量很大、结构很长的分子，在没有外力的情况下，它们通常呈卷曲状态，分子之间的可能会相互缠结、碰撞，摩擦力比较大；当有外力存在时，卷曲的分子就会沿着剪切力的方向伸展开来，分子平行排列，相互之间的摩擦力就减小了，因而粘度也降低了。

高分子溶液的高分子在受剪切力前成卷曲状态，受剪切力后发生平行排列（图片来源：高分子材料流变学。吴其晔，巫静安编）

血液、岩浆、酸奶、番茄酱、洗发水也都属于假塑性流体。当我们缓慢搅拌酸奶或番茄酱的时候，会发现比较费劲，而搅拌得快了，反而会更加轻松，其实就是这个道理。假塑性性流体还有一个很有趣的现象——凯伊效应。当一束高粘度的假塑性流体射向一个固体表面的时候，固体表面会把液束向上反弹回去。

用洗发水演示的凯伊效应——被容器表面反弹回去的弧形小水流（图片来源：http://www.xinhuanet.com/science/2018-09/02/c_137424928.htm）

仔细观察实验现象，不难发现，发生反射的水流的下方总是积聚了一层流体，再结合假塑性流体的性质，整个过程应该是这样的：快速下落的液束对下方的黏性流体堆造成冲击，流体表面因为受到冲击力，粘度变小，受到撞击后形成一个酒窝状的凹坑，同时粘度降低的表面充当润滑剂的作用，最终使得下落的液束被反射出去。

凯伊效应的原理示意图（http://www.xinhuanet.com/science/2018-09/02/c_137424928.htm）