牛顿流体能不能挡下子弹（牛顿棺材板压不住时）

本文首发于公众号“费米科学”（fermi_science），转载请联系原作者。

刚过去不久的情人节、元宵节

想必大家都过得甜甜蜜蜜吧

说起甜蜜

给大家讲一个甜蜜而又悲惨的故事：

波士顿糖蜜洪灾

在100年前的波士顿，一个15米高，储存着12000吨糖蜜的建筑物崩塌，涌出的糖蜜形成8米高的巨浪，以56km/h的速度席卷了附近的街区，造成21人死亡，150人受伤……

○ 波士顿糖蜜洪灾现场，来自维基百科。

糖蜜是工业制糖的副产品，是一种黑褐色，高黏度的液体，主要成分依然是糖。可用于发酵制酒精，也可食用。

○ 糖蜜，来自Organic Facts。

糖蜜本身的黏度非常高，是水的10000倍。在水里移动已经挺费劲的了，如果被那场灾难中齐腰深的糖蜜困住，那就是妥妥的动弹不得。

波士顿邮报报道：一群马像粘蝇板上的苍蝇一样死去。越挣扎就陷得越深。人们也是一样。

可是这么黏稠的液体按理来说应该很慢地向四周扩散才对，怎么会达到56km/h的速度，还形成巨浪呢？

糖蜜这么浪

因为它是一种

也就是说，糖蜜的黏度与所受的力有关，受力越大，它的黏度反而越小。

储存罐刚刚破裂时，在重力的作用下，糖蜜的黏度变小，像洪水一样倾泻出来，摧毁房屋、桥梁，把人卷走、拍扁。

○ 被糖蜜冲毁的高架铁路，来自维基百科。

但是随着糖蜜扩散开来，流速减缓，黏度回升，就会把人困住。不但很难开展救援，而且灾难现场极难清理，据说在几十年以后的夏天，还能闻到糖蜜的味道。

仔细一想

这个糖蜜

洒得远、粘得死、难清理

可真适合摧毁城市啊

非牛顿流体大家族里还有很多更奇葩的成员，砸椰子、防弹都不在话下。

但是，在一睹其风采之前，我们还是先详细了解一下什么是非牛顿流体。

什么是流体

能任意改变形状，能流动的就是流体，比如气体和液体。

一个海洋球不是流体，但成千上万的海洋球装在池子里也可以看作流体。

猫可以任意改变形状，填满容器，有时也可看作流体。

那么，什么是流动呢？

小心翼翼地把一杯水端起来，放在传送带上，缓慢地传送到电梯里，搭电梯平稳地上到6楼，水杯始终没有晃动或旋转。

在这个过程中，这杯水发生了运动，但并没有流动。流动一定伴随着流体内部的相对运动。

流动分为两种：拉伸流动和剪切流动。

○ 拉伸流动，小虾手绘。

用小棒或小勺蘸一些蜂蜜，再拎出来，可以看到蜂蜜向下流动。越往下，蜂蜜变得越细，但是流速也越快。

这种在流动方向上有流速改变的流动，就是拉伸流动。

○ 剪切流动，小虾手绘。

假设在一个巨大池塘的某一部分，风吹动池水的表面，向右匀速运动。

在这种情况下，池水并不是以相同的速度整体向右运动，而是从水面到水底，水流的速度均匀减小，直到池底减为0。

水的流动方向是向右的，但流速沿高度方向（与流动方向垂直）改变，这就是剪切流动。

流体的流动都是由拉伸流动和剪切流动组合而成的。

牛顿黏性实验

牛顿在1687年做了一个实验：

其实就是用两块平行的木板，代替了上面提到的静止的池底，和驱动池水运动的风，在中间的水层中产生剪切流动。

牛顿假设，与木板相邻的水层，会紧紧贴着木板运动或静止，速度与木板相等。这一假设得到了实验的证实。

○ 牛顿黏性实验，图片来自Chegg Study。

由于流体有一定的黏性，或者说，流体内部有摩擦力，因此，拉动上层木板保持匀速运动需要一定的作用力。

牛顿发现，对于水来说，拉动木板的力与木板的运动速度是成正比的，所以水是牛顿流体。

而这个比值（排除水层的厚度和面积的影响之后），就反映了流体本身的性质：

让木板保持同样的运动速度，需要施加的作用力越大，液体的黏度就越大，代表液体越粘稠。

非牛顿流体

但是，牛顿没发现，有那么一小撮奇葩液体，它们的黏度不是定值，这就是非牛顿流体。

有可能你越用力拉木板，中间的液体就变得越稀，这种非牛顿流体具有“剪切变稀”的特性，说白了就是“逆来顺受”。

之前提到的糖蜜就属于这一类。

此外，各种指甲油、油漆都具有剪切变稀特性，以便于涂得更匀、粘得更牢，在凝固之前不易滴落。

奶油、番茄酱也是，难道它们也是故意方便我们涂抹的吗？

反之，就是“剪切增稠”，或者叫“遇强则强”。

这类非牛顿流体的代表就是能防弹的玉米淀粉糊，和能砸开椰子的口香糖了。

遇强则强

首先登场的是玉米淀粉糊（Oobleck），制作方法是玉米淀粉和水，以体积比2：1混合均匀。

○ 水和玉米淀粉糊的黏度对比。可以看出，玉米淀粉糊更粘稠一些，但也是流体。图片来自 me3340。

如果用拳头砸，会怎样呢？会不会拳头陷进去，但砸不到底呢？

○ 用拳头砸水和玉米淀粉糊，水溅起水花，玉米淀粉糊纹丝未动。图片来自 me3340。

用仿真枪打呢？

○ 用装载BB弹的仿真枪打水和玉米淀粉糊，盛水的容器被击穿，而玉米淀粉糊只是被打出一个小坑。图片来自 me3340。

这怕不是一块铁？

但其实只要足够轻柔，玉米淀粉糊也不会为难你，实属吃软不吃硬的典范。

○ 用手抓取并揉捏加了色素的玉米淀粉糊，用力抓和揉的时候，它是硬的，但一旦放松，就变稀了。图片来自歪果仁集中营。

接下来是另一个好吃又好玩的家庭实验：口香糖砸椰子，由小虾亲自演示。

首先取出口香糖，不要嚼，直接卷起来，捏成一个整体，再捏成圆锥。如果椰子皮较厚，3块以上口香糖为宜。

捏好之后，将锥形口香糖尖朝上摆放好。

一定要找到椰子硬壳外面的软皮最薄的地方，对准口香糖往下砸。如果软皮实在太厚，不妨先用刀片下去一点。

下砸一定要果断。可以看到，口香糖几乎完好无损，而椰子被砸出一个大洞，可倒出椰汁。

当然，最后一步是插上吸管，把椰子喝掉啦！

补充一点：捏口香糖需要一定的耐心。

捏的时候我不禁吐槽：口香糖之所以能砸椰子，是因为它本身够硬……

的确，口香糖在受力很小的时候能够维持形状不变，不是严格意义上的流体。

但口香糖毕竟还能捏动，椰子你捏一个试试……

所以，但凡口香糖能砸碎椰子，就不要怀疑口香糖遇强则强的性质。

明年元宵节

大家可以试试

在吃元宵、猜灯谜之余

用口香糖砸砸椰子

……

也是团团圆圆

岁岁（碎碎）平安

来源：费米科学

编辑：Major Tom

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