【莱温坦伯】千奇百怪的流动现象|应力|流体|流动现象|熔体|牛顿|粘度|莱温坦伯|高分子

我们知道气体或液体可统称为流体。这是因为它们没有固定的形状，在外力作用下会发生流动。流体流动是我们日常生活中司空见惯的现象，但不知您是否知道，有些液体的流动现象却十分奇怪。

会爬杆的水

当我们用棒快速搅动杯中的水时，会发现水将沿杯壁上升，而棒周围的水面则下降。但如果同样搅动某些高分子溶液或熔体，奇怪的现象发生了：这些溶液或熔体会沿着棒往上爬，棒转得越快，爬得越高。这就是1948年由韦森堡发现的高分子溶液的“爬杆效应”，又称“韦森堡效应”，法向应力效应，“包轴”效应。

会塞泵的浆体

在地质钻探中，需要用泥浆冷却钻头。如果输出泥浆用的泵力量较小，尽管泥浆是液体，却不会从泵口流出，仿佛泵被堵塞住了一样；当泵达到一定力量时，泥浆便会突然地倾泻出来。除了泥浆之外，还有一些流体也具有这种性质：在低张力时，表现得像固体，但是在高张力的时候则表现得像黏性流体。由于美国物理化学家宾汉姆研究并总结提出了这种现象，因此这类流体被称为“宾汉姆流体”。

会记忆的拉丝

在塑料和橡胶的挤出加工或纤维的拉丝生产中，人们发现无论流出口设计成什么形状，流出产品的出口尺寸均会比这流出口的尺寸大，但长度却缩短了，仿佛它们能记住出口前在容器中的形状，并在离开出口后要努力予以恢复似的。人们把这种现象称为“弹性记忆效应”。

会“加油”的水

一位叫汤姆斯的科学家发现，若在水中加入极少量的某些高分子物质，加入量少到仅为水量的百万分之几，则水的流动阻力会下降75%。输送水管的出水率会因此一下子提高好几倍。若把这种含高分子的水注入油层的岩隙，可使石油的产量提高20%~50%。这种现象称为“汤姆斯效应”。

刨根问底

某些液体在流动时还有许多其他奇怪的现象，如无管虹吸、挤出畸变等等。于是，一门专门研究材料流动与变形的学科——流变学产生了；由此，用于量化和定性流变学的测量工具——粘度计/流变仪也应运而生；随之，这些奇葩的流动现象慢慢得以揭开了神秘的面纱。那么，流体，尤其是高分子流体中这些奇葩的流动现象到底是怎么形成的？

牛顿流体定律

17世纪英国伟大的科学家牛顿，是最早深入研究物质流动和变形之间规律的人。对于水流的研究，他发表了著名的牛顿流体定律。该定律用数学公式表达了流体的流动阻力和剪切速率之间的关系。式中的比例系数称为流体的粘度，其单位被定名为“泊”，以纪念对流变学有重大贡献的法国科学家泊肃叶。

【牛顿流体定律】

非牛顿流体

牛顿的研究对象是水或气体等小分子流体，牛顿流体定律中的比例系数即粘度是一个不变的常数。这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展，出现了大量新型流体，若套用牛顿流体公式，将发现它们的粘度不再是一个不变的常数，人们将这类流体称为“非牛顿流体”。

对非牛顿流体的深入研究大大推动了流变学的发展，也提高了物质生产的水平。例如，我们在油漆家具或粉刷墙面时，当然希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点却并不容易。其实，油漆和涂料就是非牛顿流体，它们的粘度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时，可要求配成的油漆或涂料在涂刷时粘度（阻力）很小，而一旦刷子停刷，粘度又变得很大，不会自行下流。这样，就可做到既涂刷省力又质量上乘。油漆与涂料的这种特性，用术语就称为“假塑性”。也就是说，这种非牛顿流体当有外力的作用时粘度很小，没有外力时又变得很大，具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。

相反，在塑料、橡胶、皮革、纤维及食品等工业中，不少流体在流动中随外力的增大，粘度随之增大。这类流体称为“剪切增稠流体”。

宾汉姆流体也属于非牛顿流体的一种，但又与牛顿流体有相似之处：当施加的外力超过一定值后，宾汉姆流体从不流动变成像牛顿流体一样流动，粘度不再变化。究其微观原因，宾汉姆流体（如泥浆）具有一种胶状结构，颗粒间相互连接。若外力不能破坏这种连结，它就不流动；而一旦破坏了，颗粒就像小分子一样欢畅地流动起来。

韦森堡效应（爬杆效应）

再回到韦森堡发现的爬竿现象。高分子液体或熔体在旋转时会沿中心杆向上爬。如果将高分子流体置于两个转动的平板中间，它又会把两块平板分别向上、向下推挤。

如果把高分子流体放在一个圆锥板粘度计中，会发现在粘度计的不同位置，流体向上爬的高度不同，越近中心爬得越高。

原来，这些高分子流体不仅具有黏性，而且具有弹性。它们在流动时不仅有切向应力（沿流动方向）还会产生法向应力（垂直于流动方向）。流体的弹性成分越大，其法向应力就越大，也就能往竿上爬得越高。不同的高分子流体，由于它们的分子量、分子量分布，以及流动速度不一样，弹性就不一样，爬竿的能力也就不一样。

人们已经利用韦森堡效应，让赤裸的电线直接包裹上塑料，完全淘汰了过程复杂、成本高昂的沙包线工艺。

高分子流体的“缩骨功”

在进行塑料挤出成型、橡胶拉片、纤维拉丝时，会出现产品厚度或尺寸增大，而长度缩小的现象。这就是弹性记忆效应。那么，这种弹性记忆效应的原理是什么呢？

原来，高分子溶液或熔体的分子一般都是长链分子，由于它们的长度比它们的直径大得多，通常就像线团那样一团一团地蜷曲着。然而当这些完全不规则的胖胖的线团不得不通过模具的小孔时，由于体积不能变化，故只得把自己拉长（分子链被迫拉伸）；而一旦冲过模孔，它们便努力恢复自己原来自由松散的状态。这就像武侠小说中的高手，有一种“缩骨功”，得以穿过本来无法与人身体相适应的孔洞，过后又重新恢复正常一样。

高分子流体的这种弹性恢复一般在0.02秒里完成。现代的科学手段进一步证实，它与法向应力之间也存在一定的关系。有了这些科学理论根据，人们就能更准确地制造高分子产品，把它们的尺寸控制在我们所要求的范围之中。