非牛頓流體

非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。

絕大多數生物流體都屬於所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬於非牛頓流體。

高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。聚乙烯、聚丙烯醯胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鑽井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的塗液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。

食品工業中的番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆漿、熔化巧克力、麵糰、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體。

斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函數、流體各向同性、流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛應用於流體力學研究的線性本構方程，以及現被廣泛應用的納維－斯托克斯方程。

後來人們在進一步的研究中知道，牛頓粘性實驗定律(以及在此基礎上建立的納－斯方程)對於描述像水和空氣這樣低分子量的流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時剪應力與剪切應變率之間已不再滿足線性關係。早在人類出現之前，非牛頓流體就已存在，因為絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液以及像細胞質那樣的“半流體”都屬於非牛頓流體。現在去醫院作血液測試的項目之一，已不再說是“血粘度檢查”，而是“血液流變學檢查”(簡稱血流變)，這就是因為對血液而言，剪應力與剪切應變率之間不再是線性關係，已無法只給出一個斜率(即粘度)來說明血液的力學特性。

2012年7月21日，湖南衛視《快樂大本營》十五周年第二場遊戲環節中應用了非牛頓流體。

英國科學家已經利用被戲稱為“防彈蛋奶糊”的物質製成一種液體防護衣，這種防護衣在受壓後會自動變硬，吸收撞擊在它表面的彈片產生的衝擊力。事實上，這種物質就是一種顯著的非牛頓流體。

非牛頓流體及其奇妙特性現在去醫院作血液測試的項目之一，己不再是“血黏度檢查”，而是“血液流變學撿查”（簡稱血流變），為什麼會有這樣的變化呢？這就要從非牛頓流體談起。英國科學家牛頓於1687年，發表了以水為工作介質的一維剪切流動的實驗結果。實驗是在兩平行平板間充滿水時進行的，下平板固定不動，上平板在其自身平面內以等速U向右運動。此時，附著於上、下平板的流體質點的速度，分別是U和0，兩平板間的速度呈線性分佈，斜率是黏度係數。由此得到了著名的牛頓黏性定律。斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函數、流體各向同性及流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛應用於流體力學研究的線性本構方程，以及被廣泛應用的納維-斯托克斯方程（簡稱：納斯方程）。後來人們在進一步的研究中知道，牛頓黏性實驗定律（以及在此基礎上建立的納斯方程），對於描述像水和空氣這樣低分子量的簡單流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時剪應力與剪切應變率之間己不再滿足線性關係。為區別起見，人們將剪應力與剪切應變率之間滿足線性關係的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關係的流體稱為非牛頓流體。因為對血液而言，剪應力與剪切應變率之間己不再是線性關係，己無法只給出一個斜率（即黏度）來說明血液的力學特性，只好作血流變學測試，給出二者間的非線性關係。形形色色的非牛頓流體早在人類出現之前，非牛頓流體就己存在，因為絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”，都屬於非牛頓流體。近幾十年來，促使非牛頓流體研究迅速開展的主要動力之一，是聚合物工業的發展。聚乙烯、聚丙烯醯胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鑽井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的塗液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。非牛頓流體在食品工業中也很普遍，如番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆漿、熔化巧克力、麵糰、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料。綜上所述，在日常生活和工業生產中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯體系、懸浮體系等複雜性質的流體，差不多都是非牛頓流體。有時為了工業生產的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。現在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質。非牛頓流體的奇妙特性及應用射流脹大如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發現射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴於雷諾數，其值約在0.88～1.12之間。而對於高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數。模片脹大現象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。無管虹吸對於牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。湍流減阻非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現了減阻效應。有人報告：在加入高聚物添加劑后，測得猝發周期加大了，認為是高分子鏈的作用。減阻效應也稱為Toms效應，雖然其道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。應用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發生過程及其破壞作用。非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲），剪切變稀，連滴效應（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。由於非牛頓流體涉及許多工業生產部門的工藝、設備、效率和產品質量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來越受到科學工作者的重視。1996年8月在日本京都國際會議中心，召開的第19屆國際理論與應用力學大會（IUTAM）上，非牛頓流體流動是大會的6個重點主題之一，也是流體力學方面參與最踴躍的主題。Grochet邀請報告的觀點是，高分子溶液和熔體的特性遠異於牛頓流體，並認為對這些異常特性的研究，都是帶有挑戰性的課題。

如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發現射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴於雷諾數，其值約在0.88～1.12之間。而對於高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數。模片脹大現象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。

1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一隻有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉實驗桿。對於牛頓流體，由於離心力的作用，液面將呈凹形；而對於黏彈性流體，卻向杯中心流動，並沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉速度很低時，也可以觀察到這一現象。在設計混合器時，必須考慮爬桿效應的影響。同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應。

對於牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現了減阻效應。有人報告：在加入高聚物添加劑后，測得猝發周期加大了，認為是高分子鏈的作用。雖然湍流減阻效應的道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。應用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發生過程及其破壞作用。

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲，可見“春蠶到死絲方盡”一文），剪切變稀（可見“腱鞘囊腫治癒記”一文），連滴效應（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。