牛顿1687年发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。
实验是在两平行平板间充满水时进行的(图1),下平板固定不动,上
平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时附于上下平板的流体质
点的速度分别为U和0,两平板间的速度呈线性分布。由此得到了著
名的牛顿粘性定律
斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上,作了应力张量是
应变率张量的线性函数、流体各向同性、流体静止时应变率为零的三
项假设,从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程,以及
现被广泛应用的纳维-斯托克斯方程。
后来人们在进一步的研究中知道,牛顿粘性实验定律(以及在此
基础上建立的纳-斯方程)对于描述像水和空气这样低分子量的流体
是适合的,而对描述具有高分子量的流体就不合适了,那时剪应力与
剪切应变率之间已不再满足线性关系。为区别起见,人们将剪应力与
剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体,而把不满足线性
关系的流体称为非牛顿流体。
早在人类出现之前,非牛顿流体就已存在,因为绝大多数生物流
体都属于现在所定义的非牛顿流体[1]。人身上的血液、淋巴液、囊
液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。现
在去医院作血液测试的项目之一,已不再说是“血粘度检查”,而是
“血液流变学检查”(简称血流变),这就是因为对血液而言,剪应力
与剪切应变率之间不再是线性关系,已无法只给出一个斜率(即粘度)
来说明血液的力学特性。
据英国《每日邮报》报道,表面上看,一层橙色的果冻并不能有效保护士兵的脑袋免受高速子弹和弹片的伤害。但是英国陆军的新式军帽将会添加一层由神奇的凝胶组成的内衬,这种凝胶遭到突发的撞击就会立即变成固态,吸收大量能量。英国蓝色天赐技术有限公司从英国国防部得到了总额为 10万英镑的合同,研发出了D3O型减震凝胶,以拯救那些在阿富汗前线作战的英军士兵的性命。
据悉,采用尖端纳米技术的D3O型减震凝胶是由一种粘胶液和一种聚合物化合而成的,依靠其奇异的耐超高压“智能分子”发挥作用。在正常情况下,此凝胶保持松弛的状态,又轻又软,不会影响人的正常活动,只有当遭到剧烈撞击的时候才会迅速收紧变硬,形成一层防护层,从而减少撞击对使用者身体的伤害。从外表来看,D3O型减震凝胶与儿童玩的培乐多(Play- Doh)彩泥相似,是一种泡沫状的橙色薄片,可以被随意挤压成各种形状。它可以用来制作多种用品,如防护型运动装、护腿板、摩托车服,甚至警用防弹衣等等。
D3O型减震凝胶的发明者、工程师理查德·帕尔默解释说:D3O是一种用 “智能分子”制造而成的聚合体,类似于黏稠的液体,就如同混合着玉米淀粉和水的潮湿沙子。也就是说,其中的硅材料纳米粒子在常态下就像金属一般流动,当遇到子弹或者弹片的冲击时,它们立即变成如格子般的固体排列结构,彼此之间紧密地“锁”在一起,使得一件看似柔软的制服迅速变成一套坚硬无比的盔甲。
D3O减震凝胶目前已经用于体育运动方面,包括滑雪所需的高柔韧度护膝和软帽,当滑雪运动员或是滑雪板运动员撞到地面的时候,它就可以立即变硬形成保护层。现在相同的技术还将用于战场。科学家们正在加快新式步兵头盔内衬层的设计和测试,英国国防部还希望这种凝胶能尽快用于新型防弹衣和其他防护装备中。通过添加此凝胶衬层,陆军现在配备的大号头盔和又重又不合身的防弹衣终将可以“减肥”了。