非牛頓流體在緩沖帶制作方面的應(yīng)用探究

張懿德 樊新梅 沈朱蔚 朱文宇

摘 要：近年來(lái)，非牛頓流體材料憑借特殊的流變性能得到廣泛的應(yīng)用。為了探索非牛頓流體的應(yīng)用，在研究非牛頓流體的特性及發(fā)展的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目小組同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究非牛頓流體材料在緩沖帶制作方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體;流變性能;緩沖帶

在一個(gè)綜藝節(jié)目中，主持人提出如何運(yùn)用口香糖道具將椰子砸開(kāi)，當(dāng)小朋友將口香糖捏成尖錐體快速扎向椰子，椰子被砸開(kāi)了。這一幕讓在場(chǎng)嘉賓都驚呆了：看似軟軟的口香糖居然可以將外殼堅(jiān)硬的椰子砸開(kāi)！有點(diǎn)不可思議。這就是利用了非牛頓流體的神奇特性，那么非牛頓流體是什么呢？

先介紹一下非牛頓流體理論的來(lái)源：英國(guó)科學(xué)家牛頓通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，據(jù)此得到了牛頓黏性定律。基于此斯托克斯將三項(xiàng)條件進(jìn)行理想化假設(shè)，進(jìn)而導(dǎo)出了在流體力學(xué)研究方面得到廣泛應(yīng)用的線性本構(gòu)方程及得到普遍應(yīng)用的納維斯托克斯方程。隨后人們進(jìn)一步了解到前人的兩個(gè)基礎(chǔ)性研究適用于低分子量，例如空氣和水等，但對(duì)于高分子量的流體而言，剪應(yīng)力與相應(yīng)的剪切應(yīng)變率之間則不存在線性關(guān)系，符合非牛頓流體的特性。非牛頓流體在生活中是普遍存在的，甚至絕大多數(shù)生物體內(nèi)的液體以及多數(shù)食品、工業(yè)中的液體都是非流頓體。

近年來(lái)隨著聚合物工業(yè)的快速發(fā)展，非牛頓流體的研究也有了較大的進(jìn)展。專(zhuān)家學(xué)者不斷地研究非牛頓流體的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)非牛頓流體具備無(wú)管虹吸、湍流減阻、爬桿效應(yīng)、射流脹大、液流反彈等特性。

緩沖帶作為交通道路網(wǎng)絡(luò)中的重要部件，在設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮密封、制造工藝、平面厚度以及外觀與道路系的協(xié)調(diào)性。盡可能保證緩沖帶在長(zhǎng)時(shí)間受到高強(qiáng)度的沖擊下，有最小程度的損壞，進(jìn)而保障交通網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)健康運(yùn)行。因此緩沖帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的健康運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

非流頓體在外力沖擊下會(huì)改變其粘度或流動(dòng)性，當(dāng)受到緩慢、柔和的外力作用時(shí)，呈現(xiàn)柔軟的液態(tài)，因此產(chǎn)生的阻力也較小;當(dāng)受到劇烈的外力作用時(shí)，呈現(xiàn)出堅(jiān)硬的狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻力，甚至出現(xiàn)堅(jiān)硬的固體狀態(tài)。基于此特性，創(chuàng)新項(xiàng)目小組的同學(xué)將緩沖帶中間鏤空化設(shè)計(jì)，將非牛頓流體填入中間。項(xiàng)目組同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究緩沖帶填充液的配制。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行材料的制作以及減速性能測(cè)試。

首先合理籌備該項(xiàng)目的制作道具，以盡可能減少成本，提高緩沖帶制作水平及緩沖帶的質(zhì)量;組長(zhǎng)分配好項(xiàng)目組各個(gè)成員的工作。

在配制填充液的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖液的比例發(fā)現(xiàn)，防凍液、淀粉、水以1：3：2比例進(jìn)行配置得到的緩沖液濃度最合適。但通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)按該比例配置好的緩沖液，在靜止放置一段時(shí)間之后，會(huì)產(chǎn)生溶液分離的現(xiàn)象，水和淀粉會(huì)出現(xiàn)分離。項(xiàng)目小組的同學(xué)通過(guò)查閱書(shū)籍文獻(xiàn)以及各種網(wǎng)絡(luò)資源，最終通過(guò)資料了解到，水和淀粉出現(xiàn)分離是因?yàn)槿芤旱姆€(wěn)定性不好，可以通過(guò)增加食用油來(lái)增加溶液的穩(wěn)定性。當(dāng)水、油和淀粉同時(shí)存在的情況下，可以最大程度地降低溶液的分離程度。溶液穩(wěn)定性不好的問(wèn)題得到了較好的解決。

接下來(lái)在暑假里的一個(gè)月中，團(tuán)隊(duì)組員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溶液會(huì)因?yàn)楦邷馗瘔摹Ｔ蚴窃诟邷靥鞖馇闆r下，淀粉的存在使溶液容易產(chǎn)生變質(zhì)。雖然找到了問(wèn)題，但是依舊沒(méi)有解決實(shí)際問(wèn)題的辦法。雖然實(shí)驗(yàn)條件下緩沖液可以放進(jìn)冰箱保鮮，不產(chǎn)生變質(zhì)。但考慮到實(shí)際高溫天氣的情況下，對(duì)緩沖帶單獨(dú)冷存難以實(shí)現(xiàn)，所以這個(gè)方法不可行。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)以及資料的查閱，始終不能讓它保持新鮮。緩沖材料因高溫腐壞暫停進(jìn)展，小組成員又嘗試了多種材料和多種方法，加入大量的油雖然可以使溶液在一定程度上防止腐敗，但是油的加入會(huì)降低溶液的冰點(diǎn)，使溶液在寒冷的環(huán)境容易變硬。高溫的問(wèn)題使流體出現(xiàn)變質(zhì)或者發(fā)臭等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了溶液的穩(wěn)定性，這對(duì)于緩沖帶的實(shí)際使用也有較大的限制。經(jīng)過(guò)借閱書(shū)籍，上網(wǎng)查找等各種辦法，發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀可以較有效地解決高溫這個(gè)問(wèn)題。緩沖液配料上加入了一些非牛頓流體，使它完全溶解于水中，然后再適當(dāng)?shù)募尤肓烁咤i酸鉀，提升溶液穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，找到了適合制作緩沖帶需要的緩沖液配料及比例，按照指標(biāo)進(jìn)行緩沖帶的制作。解決了利用非牛頓流體配制緩沖液的配制問(wèn)題之后，開(kāi)始探究思考該如何將非牛頓流體轉(zhuǎn)入實(shí)物應(yīng)用之中，制作可用的緩沖帶成品。

在制作過(guò)程前，項(xiàng)目小組成員聚集在一起頭腦風(fēng)暴，列舉了很多計(jì)劃在制作材料上，由于成品必須要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到論證，必須要準(zhǔn)備厚實(shí)并且牢固的材料來(lái)填充非牛頓流體，在經(jīng)過(guò)討論之后，初步?jīng)Q定使用橡膠管來(lái)填充溶液。

在制作成品前期，小組成員們進(jìn)行了小型非牛頓流體實(shí)驗(yàn)，測(cè)量按比例制作溶液需要多少材料，在經(jīng)過(guò)小容量多次運(yùn)用試驗(yàn)之后，把握制作非牛頓流體的控制用量，對(duì)非牛頓流體效果進(jìn)行小范圍探索。經(jīng)過(guò)對(duì)非牛頓流體的研究，發(fā)現(xiàn)它的作用遠(yuǎn)非如此，在完成緩沖帶后會(huì)繼續(xù)對(duì)非牛頓流體展開(kāi)探究。

在探索過(guò)程中小組成員也遇到了新的問(wèn)題，比如之前理論分析確定的填充方式實(shí)際中實(shí)施起來(lái)有難度，需要優(yōu)化裝填方式。在非牛頓流體制作完成后，項(xiàng)目小組成員按前面計(jì)劃進(jìn)行開(kāi)始制作盛放緩沖液的外部材料，在購(gòu)買(mǎi)材料之后，小組成員遇到很多問(wèn)題，例如材料并沒(méi)想象中的厚實(shí)，容易導(dǎo)致非牛頓流體泄露，因?yàn)椴牧洗笮〉牟蛔悖瑢?dǎo)致填充的非牛頓流體后的成品并不能作為緩沖帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，材料的問(wèn)題和制作上的不足，導(dǎo)致制作成品遇到困難。

只能夠使用新的一些構(gòu)思來(lái)制作緩沖帶。購(gòu)買(mǎi)不同的材料，然后再次對(duì)比第一次的制作過(guò)程，觀察如何優(yōu)化制作方法，改進(jìn)緩沖帶的模型。同時(shí)，經(jīng)歷過(guò)上次的失誤，這次調(diào)整改變裝填方法，改為分段裝填，發(fā)現(xiàn)這樣做既有助于加快裝填速度，又方便檢查維修。

改進(jìn)方案之后，小組成員加快了進(jìn)程，小組成員將之前的緩沖帶的外觀加以改進(jìn)，使用了一些噴漆，進(jìn)行一些精加工，做成了緩沖帶模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，檢驗(yàn)緩沖帶的緩沖效果，使牛頓流體在緩沖帶的使用上更加合理化。在結(jié)束了緩沖帶的制作后，根據(jù)之前多次試驗(yàn)，這次使用了螺絲將緩沖帶模型的兩邊封住，完成了緩沖帶最后的一步。

通過(guò)此次創(chuàng)新項(xiàng)目，探究了如何提升緩沖帶的功能性以及安全性。制作此次項(xiàng)目過(guò)程中，遇到了很多的問(wèn)題與困難，小組成員虛心學(xué)習(xí)并探索，經(jīng)過(guò)了很多嘗試，嘗試了各種材料進(jìn)行了多次制作，最終完成了任務(wù)。在這次歷經(jīng)幾個(gè)月的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目小組同學(xué)明白了一個(gè)道理，要勇于創(chuàng)新，勤于發(fā)現(xiàn)，才能不斷發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)。

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