据说,你家主子凭借流体力学登上了“诺奖”?

摘要: 而你却连什么是流体都不知道?

09-30 05:49 首页 上海科技馆


近日,2017年搞笑诺贝尔奖揭晓??


搞笑诺贝尔物理学奖授予 Marc-Antoine Fardi


获奖研究:用流体力学来研究你家猫主子究竟是固态的还是液态的


图片来自百度图片


“一只猫可以既是固体也是液体吗?”


答案似乎是肯定的...



你家主子都登上“诺奖”了,虽然搞笑,但含金量也不低——


流体力学呢!每天忙于铲屎的你,又懂多少?


想要看透主子的心,先来搞明白能伸能屈的主子和流体力学之间那些事吧!


牛顿流体?非牛顿流体?


流体,是与固体相对应的一种物体形态,是液体和气体的总称。流体包括牛顿流体和非牛顿流体


以在水管中流动的自来水为例,理想情况下,通常位于水管中心的水流速是最快的,越靠近管壁流速越慢,挨着管壁的地方流速为零,自来水的粘度没有变化,从中心到管壁所受的剪切力与流速成正比。


具备这种性质的流体,就是牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、低速流动的气体等都是牛顿流体。


图片来自全景网


假设把自来水换成牛奶,那么情况就不一样了,牛奶的粘度会随着剪切力的变化而发生变化,此时剪切力与流速将不成正比


这是因为牛奶中含有丰富的蛋白质和脂肪等大分子,在剪切力的作用下,大分子与大分子之间的微观排列结构会发生改变,导致粘度发生变化,好比一碗很粘稠的粥,用筷子轻轻搅动时会觉得很粘搅不动,越用力搅动就会感觉粥好像变稀了,搅起来反而不那么费劲了。


除牛奶、粥外,血液、胶水、豆浆、果冻等都是非牛顿流体


猫是什么流体?


在这篇搞笑诺贝尔获得者的文章中,作者分别用线性流变学(牛顿流体)和非线性流变学(非牛顿流体)进行了分析。


不过作为以“搞笑”目的的研究,文章除搬出科学公式套用外,并未有任何准确的数据支撑,仅以一系列网上图片进行粗略推测,整篇文章纯属逗趣,不可作为严谨的科学。


抱着乐一乐的态度,来看一看作者是如何用图片定义猫的各种性质。


图片来自《On the rheology of cats》


(a) 猫有固定的形状,1秒内能旋转能弹跳,可以认定猫为固体,德博拉数远大于1。

(b) 在较长时间里(约1分钟),猫可以慢慢充满空的红酒杯,此时德博拉数远小于1,猫似乎为液体。

(c) 和(d)对于爱睡觉的老年猫 ,引入介于液体和气体之间的流体特征时间。


图片来自《On the rheology of cats》


(a) 猫的拉伸流变

(b) 猫与底部物体具有超高的亲和作用力,因为接触角很大

(c) 实验显示了小猫的屈服应力

(d) 一只猫在非常粗糙的表面展开

(e) 猫和水面具有极低的亲和力

(f) 猫在光滑的地板上发生表面滑移和剪切定位

(g) 猫粘在了垂直的墙面,与直觉相反,万有引力似乎增加了猫的粘性


很明显,这篇文章以猫柔软的身体为切入点,以科学为噱头来博人一乐,不必当真。


猫就是猫,它是一种可爱的伴侣动物,不能用流体的概念来进行定义。


流体力学的应用


尽管猫不是什么流体,但这篇文章也将流体力学的一系列概念引入了我们的视野。


流体力学包含很多领域,如空气动力学、非牛顿流体力学、多相流体力学、渗流力学等。借题发挥,我们来看一看流体力学在工业上和生活中有哪些应用。


空气动力学与飞机起飞(伯努利原理)


飞机能飞靠的是机翼产生的一股上升力把飞机托起来的。


首先飞机要借助发动机的转动而加速在地面滑翔。飞机往前跑的时候,飞机周围的空气相当于在后退,二者有一个相对速度。


机翼的特殊设计使机翼上下两面的空气速度不一样,就产生了上下的压力差。当飞机加速达到一个很大的速度时,压力差变大,将飞机托起,飞机就离开地面起飞啦。

 

图片来自百度图片


空气动力学是流体力学中研究较为系统和成就突出的一个分支,远不止伯努利原理。


我国著名科学家在空气动力学方面的开拓性工作和成就,为“两弹一星”奠定了坚实的理论基础。


非牛顿流体与血液流变学


前面说过血液是一种非牛顿流体,对于血液的流动性与形变规律的研究已经发展成一门专门的学科,叫“血液流变学”,主要是通过观测血液的粘度、流动、凝集等流变性和红细胞的变形及聚集、血小板的聚集、释放等指标来研究血液和血管的宏观与微观流变性的规律。


“血液流变学检查”是去医院作血液测试的项目之一,血流变的检查对动脉硬化、高血压、冠心病、心绞痛、心肌梗塞、糖尿病、脑血管等疾病具有预报性。

 

图片来自百度图片


除血液流变学检查之外,非牛顿流体还有剪切变稀、射流胀大、爬杆效应、无管虹吸、湍流减阻等奇特性质,在工业中的工艺、设备中也应用广泛。


流体力学的应用可谓无处不在。


可以说,大到航空航天,海洋船舶,小到打针输液,凡是有气体、液体、固体流动的地方或虽不流动但有膨胀、压缩等现象的地方都有流体力学知识的存在。


??????


铲屎之余,还是要脑力充电一下,才能跟上主子的步调啊!



封面图片来自作者自家主子


参考资料:


1.彭岩,吕冰海,纪宏波等. 非牛顿流体材料在工业领域的应用与展望[J]. 轻工机械,  2014 , 32 (1) :109-114

2.韦慧玲,蒋翠霞,师勇等,血液流变学及其各项指标在临床上的应用[J]. 中国现代医生 , 2010 , 48 (8) :16-17 

3.王振东,非牛顿流体及其奇妙特性,科学网博客,http://blog.sciencenet.cn/blog-205890-216580.html

4.M.A.Fardin,On the rheology of cats[J]. Rheology Bulletin, 2014, 83(2):16-17,30 


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