每日科学第35期
铁锤也无奈：淀粉糊中的非牛顿流体特性解析
参与学生：游梓悦、陈靖薇 房鑫壕 指导教师：陈国荣
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学习目标：
l 理解非牛顿流体的基本概念和特性。
l 掌握制作非牛顿流体的基本方法。
l 观察并描述非牛顿流体在不同力作用下的行为。
l 通过实验探究淀粉糊在强力和弱力作用下的不同表现。
材料准备
1. 玉米淀粉
2. 水
3. 铁锤
4. 碗或其他容器
5. 勺子
6. 鸡蛋（用于实验对比）
7. 实验桌或其他坚硬平面
实验步骤
1. 准备淀粉糊
· 在容器中加入适量的玉米淀粉。
· 慢慢加入水，并不断搅拌，直到形成均匀的糊状物。水的量要逐渐加入，以免过稀。最终的糊状物应具有一定粘稠度，但又能够流动。
2. 观察非牛顿流体特性
· 用勺子轻轻搅动淀粉糊，观察其像液体一样流动的行为。
· 用手指缓慢地插入淀粉糊中，感受其柔软和流动性。
3. 实验力的作用
· 使用铁锤用力敲击淀粉糊，观察其表面变硬，不易陷下去的现象。
· 将鸡蛋轻轻扔入淀粉糊中，观察其是否会碎。
4. 记录和分析
· 记录在强力作用下淀粉糊表现出的“硬”特性。
· 记录在弱力或缓慢作用下淀粉糊表现出的“软”特性。
· 对比鸡蛋在淀粉糊中的表现，分析其与铁锤的不同。
5. 实验总结
· 非牛顿流体的特性：在强力作用下表现为固体，在弱力或无力作用下表现为液体。
· 讨论生活中其他常见的非牛顿流体，如牙膏、番茄酱等。
实验现象：
1. 淀粉糊的流动性：
· 用勺子轻轻搅动淀粉糊时，淀粉糊表现出流动性，像液体一样流动。
· 用手指缓慢地插入淀粉糊中，能够感受到其柔软和流动性。
2. 铁锤敲击的现象：
· 使用铁锤用力敲击淀粉糊，淀粉糊表面立即变硬，铁锤无法轻易陷入其中。
3. 鸡蛋投掷的现象：
· 将鸡蛋轻轻扔入淀粉糊中，鸡蛋未破碎，缓慢沉入淀粉糊中。
实验原理：
本实验的原理主要涉及非牛顿流体的特性。非牛顿流体是一种在应力作用下黏度会发生变化的流体，其黏度不是恒定的，而是随施加的应力或剪切速率的变化而变化。淀粉糊就是一种典型的非牛顿流体，其在不同力作用下表现出不同的物理特性。
1. 淀粉糊的流动性：
在弱力或缓慢作用下（如用勺子搅拌或手指缓慢插入），淀粉糊中的淀粉颗粒可以在水中自由流动，表现出类似液体的柔软和流动性。这是因为在这种情况下，淀粉颗粒之间的相互作用力较小，水分子能够在淀粉颗粒之间自由流动。
2. 铁锤敲击的现象：
在强力作用下（如用铁锤用力敲击），淀粉糊表现为坚硬的固体。这是因为在高应力的情况下，淀粉颗粒迅速排列并形成一种临时的网络结构，阻止水分子流动，从而使整个糊状物表现出固体特性。这种现象称为剪切增稠效应，是许多非牛顿流体的典型特性之一。
3. 鸡蛋投掷的现象：
将鸡蛋轻轻扔入淀粉糊中时，淀粉糊表现出流动性，鸡蛋未破碎且缓慢沉入其中。这是因为鸡蛋施加的力较小，未达到使淀粉颗粒形成网络结构的临界应力，因此淀粉糊保持了液体的特性，能够吸收和分散鸡蛋的冲击力。
趣味拓展：
一、液体防弹衣
液体防弹衣是一种新型防护材料，利用非牛顿流体的特性来增强防弹效果。它在受到高速冲击（如子弹或碎片）时，会迅速变硬，提供防护，而在日常状态下则保持柔软和灵活性。
二、液体防弹衣的结构
1. 外层材料：通常由高强度纤维织物制成，如凯夫拉（Kevlar）或Twaron。这些材料本身具有良好的防弹性能，并提供初步的防护。
2. 剪切增稠流体层：浸渍在高强度纤维中的剪切增稠流体。这一层是液体防弹衣的核心部分。在正常情况下，这层材料保持柔软，使得防弹衣穿着舒适且便于活动。
3. 内层材料：柔软且吸汗的织物，提高穿着舒适度，并有助于散热和吸湿。
三、工作原理
1. 日常状态：在日常活动中，液体防弹衣中的剪切增稠流体保持液态，提供柔软性和灵活性，使穿着者可以自由行动。
2. 受冲击时：当子弹或其他高速物体撞击防弹衣时，撞击力会在瞬间施加到剪切增稠流体上。这时，剪切增稠流体的粘度会迅速增加，变得像固体一样坚硬。这种变化能够分散和吸收大量的冲击能量，从而防止穿透。
3. 冲击后：在冲击结束后，剪切增稠流体会恢复到液态，防弹衣重新变得柔软和灵活。
四、优点
1. 柔软舒适：与传统防弹衣相比，液体防弹衣在日常状态下更柔软，穿着更舒适，不影响活动。
2. 高效防护：由于剪切增稠流体在受到冲击时会迅速变硬，能够有效地分散和吸收冲击能量，提高防护性能。
3. 轻量化：液体防弹衣可以减少使用高强度纤维材料的层数，从而减轻重量，进一步提高穿着舒适性和灵活性。
五、应用前景
液体防弹衣在军事、执法、安保等领域具有广阔的应用前景。尤其是在需要长时间穿着防护装备的任务中，液体防弹衣的舒适性和高效防护能力使其成为理想选择。此外，液体防弹技术也在不断改进，有望在未来进一步提升性能，扩大应用范围。
