力學(xué)縱橫

舌尖上的非牛頓流體

姜 楠1)田 硯
(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系，天津300354)

從流變學(xué)的角度，介紹了多種食品中非牛頓流體的擠出膨大、剪切變稠、剪切變稀、拉絲效應(yīng)等奇妙的特性，以及這些性質(zhì)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用.

非牛頓流體，擠出膨大效應(yīng)，剪切變稠，剪切變稀，拉絲效應(yīng)

新春佳節(jié)是合家團(tuán)圓的日子.當(dāng)一家人圍坐餐桌前，共享天倫之樂(lè)，欣賞美味佳肴的時(shí)候，你是否會(huì)想到，這琳瑯滿目的美食中也包含了豐富的流變學(xué)知識(shí)呢？下面給大家做簡(jiǎn)單的介紹.

1 機(jī)器擠出的面條為什么會(huì)變胖？

初一餃子初二面，我是北方人，喜歡吃面食，其中面條是我的最愛(ài)，為此春節(jié)前專門買了一臺(tái)面條機(jī)，打算自己軋面條.面條機(jī)有多種模具，有圓的，有扁的，有粗有細(xì)，可以根據(jù)自己的喜好選擇.我選擇了直徑1.80毫米細(xì)孔的模具，可擠出面條一看，面條顯然比模具直徑1.80毫米的細(xì)孔粗得多，將近2.90毫米(見(jiàn)圖1)，這是怎么回事呢？原來(lái)這是非牛頓流體的擠出膨大效應(yīng)[1].面粉中含有大量的蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等高分子物質(zhì)，很多高分子物質(zhì)都具有擠出膨大效應(yīng).高分子物質(zhì)在沒(méi)有受到外力時(shí)，其中的分子鏈蜷縮成小團(tuán)，一旦施加了外力作用，分子鏈就沿著外力方向舒展開(kāi).面粉與水混合成小面團(tuán)，小面團(tuán)被螺桿壓入模具小孔，高分子物質(zhì)的分子鏈?zhǔn)艿铰輻U推力，被迫沿著小孔方向取向，分子鏈儲(chǔ)存了一定的彈性勢(shì)能，取向過(guò)程的時(shí)間很短，由于高分子的黏彈性，一旦面條脫離了模具小孔，壓力消失，這種取向作用就消失了，分子鏈的彈性勢(shì)能釋放，就產(chǎn)生回彈效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為面條就要脹粗一些.看來(lái)面條機(jī)模具設(shè)計(jì)者還不懂?dāng)D出膨大效應(yīng)的原理，面條機(jī)模具的小孔應(yīng)該設(shè)計(jì)得再小一些.在制作裱花蛋糕的時(shí)候，也可以看到擠出奶油或者奶酪的小孔很小，但擠出的奶油或奶酪條卻比小孔粗，這也是擠出膨大效應(yīng)(見(jiàn)圖2).

圖1 面條機(jī)將面條擠出模具小孔

圖2 奶酪擠出膨大效應(yīng)

高分子物質(zhì)的擠出膨大效應(yīng)在高分子材料的生產(chǎn)中是特別需要考慮的重要因素[2]，特別對(duì)于產(chǎn)品模具的設(shè)計(jì)十分重要.在高分子線材的生產(chǎn)中，根據(jù)擠出物的脹大系數(shù)，模具的孔徑一定要比所生產(chǎn)的線材的直徑要小，才能生產(chǎn)出合格的線材.如果按照設(shè)計(jì)線材的直徑加工模具的孔徑，則生產(chǎn)出的線材一定比設(shè)計(jì)的直徑粗.在生產(chǎn)矩形截面的產(chǎn)品時(shí)，聚合物熔體從一根矩形截面的模具口流出，管截面長(zhǎng)邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著.尤其在管截面的長(zhǎng)邊中央脹得最大.因此，如果要求生產(chǎn)出的產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進(jìn)去的形狀(圖3)[3].

圖3 矩形截面擠出模具的形狀

2 肉餡為什么越攪拌越費(fèi)力？

略同湯餅賽新年,

薺菜中含著齒鮮,

最是上春三五日,

盤餐到處定居先.

這是清代何耳寫(xiě)的《水餃》詩(shī).明《宛署染記·民風(fēng)土俗》也記載：“時(shí)元旦，作扁食，奉長(zhǎng)上為壽.”北方過(guò)年家家戶戶都要包餃子，包餃子和餡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，向同一個(gè)方向攪拌肉餡，特別是羊肉餡，肉餡會(huì)越攪越稠，越攪越費(fèi)力.這是因?yàn)槿怵W也是非牛頓流體，具體來(lái)講是剪切變稠流體.這類非牛頓流體的黏度隨流速梯度增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒濃度很高并接近最緊密排列時(shí)，兩層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將使顆粒偏離最緊密排列，需消耗額外能量.當(dāng)流速增加而使顆粒動(dòng)能增高時(shí)，產(chǎn)生絮凝，也使黏度增大[4].食品中有很多剪切變稠的流體，例如芝麻醬、肉糜、淀粉漿、面糊等.吃涼拌菜少不了芝麻醬，如果用筷子快速攪拌芝麻醬時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它越攪越黏稠，感覺(jué)到有很大的阻力(圖4).所以攪拌這類物質(zhì)，需要逐漸添加適量的水降低它的黏度.

剪切變稠在工業(yè)上也有重要的應(yīng)用，有人發(fā)明了“剪切增稠液”(shear thickening f l uid,STF)，將極其細(xì)小的納米球形微粒(如SiO2球形微粒)混入到不揮發(fā)、流動(dòng)性好的無(wú)毒液體中，形成懸浮液或凝膠.這種流動(dòng)性很強(qiáng)的液體和堅(jiān)硬的微粒結(jié)合后，即能形成性能非比尋常的剪切增稠液體.這種新型液態(tài)材料平時(shí)非常容易變形，納米級(jí)硬質(zhì)粒子呈懸浮狀態(tài)；然而，一旦受到?jīng)_擊，在碰撞點(diǎn)原先呈懸浮狀態(tài)的硬質(zhì)納米粒子便會(huì)驟然聚集成微粒簇，從而使剪切增稠液體在瞬間變得十分堅(jiān)硬，阻止致命沖擊對(duì)人體的傷害.當(dāng)子彈高速撞擊這種材料時(shí)，“剪切增稠液”防彈衣就會(huì)吸引撞擊能量，并迅速變得極其堅(jiān)硬.利用這種具有剪切增稠特性的液體也可制作多種人體防護(hù)裝備，這些防護(hù)服裝和服飾主要是用來(lái)防止和減少運(yùn)動(dòng)物體的沖擊、穿刺、切割、撕裂、拉伸所帶來(lái)的傷害和損害，擁有防沖擊、防破片、防刃刺、防錐刺、防針刺、防切割、防砍、防砸、防鏈鋸切割和防飛濺等功能.STF防護(hù)服平時(shí)穿用非常柔軟舒適，一旦遭到砍刀、匕首等利物砍、刺，破片沖擊，就在受到?jīng)_擊的瞬間變得堅(jiān)韌無(wú)比，而且能將沖擊力沿織物迅速分散開(kāi)來(lái)，大大降低單位面積的壓強(qiáng).當(dāng)沖擊力消失之后，剪切增稠液又恢復(fù)液體狀態(tài)，織物也重新變軟.

圖4 剪切變稠——攪拌芝麻醬(掃描可觀看視頻)

英國(guó)BAE系統(tǒng)公司研制出一種液體防彈衣[5].這一具有革命性的發(fā)明就是采用“剪切增稠液”的液體，該液體在受到子彈沖擊時(shí)會(huì)變硬從而起到阻擋子彈的作用.新型液體防彈衣(圖5)可以為士兵提供史無(wú)前例的有效保護(hù)，同時(shí)又能保證他們自由靈活地運(yùn)動(dòng)，不再受到笨重的傳統(tǒng)防彈衣的限制.“剪切增稠液”還可噴涂于兩層芳綸1414織物之間，制成超強(qiáng)超薄防彈衣.本來(lái)芳綸1414材料的強(qiáng)度就是鋼鐵的5倍，因此它也被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的防彈衣材料.現(xiàn)在，這種新型超強(qiáng)超薄防彈衣比普通的防彈衣要薄得多，重量只相當(dāng)于普通的一半.

圖5 英國(guó)BAE系統(tǒng)公司研制的液體防彈衣

3 酸奶與剪切變稀

買來(lái)的酸奶有時(shí)會(huì)比較稠，用吸管吸食會(huì)比較費(fèi)力，這時(shí)如果用小勺攪拌幾下，酸奶就會(huì)變得比較稀[6].這就是剪切變稀現(xiàn)象[7].剪切變稀的食品還有冰激凌、蛋黃醬[8]、番茄醬[9]和植物蛋白型飲料等.

有一種剪切變稀的潤(rùn)滑脂，當(dāng)施加一個(gè)外力時(shí)，潤(rùn)滑脂的流動(dòng)在逐漸變軟，表觀黏度降低，但是一旦處于靜止，經(jīng)過(guò)很短時(shí)間，稠度再次恢復(fù).潤(rùn)滑脂的這種特性，決定了其可以在不適于潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的部位潤(rùn)滑，而顯示它優(yōu)良的性能.此外，很多日化用品比如牙膏、洗發(fā)露、潤(rùn)膚露等都是剪切變稀的非牛頓流體.

4 拔絲菠蘿與拉絲效應(yīng)

拔絲菠蘿、拔絲香蕉、拔絲蘋(píng)果(圖6)、拔絲山藥、拔絲紫薯、拔絲元宵等菜品是過(guò)年餐桌上的美味佳肴，亮晶晶的細(xì)糖絲玲瓏剔透，看著那么誘人.蔗糖在食用油中加熱熔化到一定溫度，就能拉出亮晶晶的細(xì)糖絲.這就是非牛頓流體的拉絲效應(yīng)[10].春節(jié)逛廟會(huì)，孩子們都會(huì)買上一朵大大潔白的棉花糖舉著邊走邊吃，棉花糖也是將白砂糖顆粒加熱熔化后，利用快速旋轉(zhuǎn)的剪切效應(yīng)將糖漿牽拉成細(xì)絲制作成的(圖7).如果仔細(xì)觀察制作糖葫蘆的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，將掛滿熱糖漿的山楂串要用力在泡過(guò)水的木板上一按，再來(lái)回搓動(dòng)一下，在山楂靠木板的一側(cè)就會(huì)拉出一層薄薄的糖片(圖8)，這實(shí)際也是也是糖漿的拉絲過(guò)程.

圖6 撥絲蘋(píng)果的拉絲現(xiàn)象

圖7 拔絲制作的棉花糖

圖8 糖葫蘆上的糖片

要說(shuō)拉絲冠軍，非蠶和蜘蛛莫屬，蠶的腹部的絲腺內(nèi)充滿了蠶絲的原料——絲蛋白的膠質(zhì)溶液，稱為絲液.“后部絲腺”是合成絲蛋白的地方，“中部絲腺”是貯存絲液的地方.蠶的頭部有一個(gè)由“角質(zhì)蛋白”形成的“調(diào)節(jié)口”，當(dāng)絲液經(jīng)過(guò)它時(shí)，通過(guò)對(duì)絲液的流量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，就能拉成纖細(xì)而漂亮的絲線，其直徑可以細(xì)到0.002毫米，長(zhǎng)度可達(dá)1200米左右[11]，留下了“春蠶到死絲方盡”的佳句.現(xiàn)代化學(xué)纖維工業(yè)中，人們正在模仿蠶所做的工作，用“拉絲”的辦法制造尼龍和滌綸等各種合成纖維[12].只是在開(kāi)始做成絲狀時(shí)，先要對(duì)熔融的聚合物液體施加很大的壓力，使其從一個(gè)小孔中擠壓出來(lái)，再去牽拉.如何又快又好地拉出絲來(lái)，正是“流變學(xué)(Rheology)”中“拉絲流動(dòng)”所研究的內(nèi)容.實(shí)際上，我們現(xiàn)在還比不上蠶，還不能像蠶那樣只靠牽拉就能制出漂亮而結(jié)實(shí)的絲線來(lái).

5 結(jié)束語(yǔ)

力學(xué)與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，衣食住行等日常生活中存在很多力學(xué)知識(shí)、力學(xué)原理和力學(xué)現(xiàn)象，工業(yè)生產(chǎn)中有很多技術(shù)都是利用了力學(xué)知識(shí)和力學(xué)原理發(fā)明出來(lái)的.只要我們認(rèn)真觀察并認(rèn)真思考，就能夠發(fā)現(xiàn)這些原理和奇妙現(xiàn)象，并體會(huì)到觀察生活、認(rèn)識(shí)力學(xué)的樂(lè)趣，為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn).

1 王振東.詩(shī)情畫(huà)意談力學(xué).北京：高等教育出版社，2008

2 李光.高分子材料加工工藝學(xué).北京：中國(guó)紡織出版社，2010

3 王振東.奇妙的非牛頓流體.力學(xué)與實(shí)踐，1998，20(1)：72-74

4 楊龍江.肉糜制品流變學(xué)特性的研究.[碩士論文].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001

5 英國(guó)科學(xué)家成功研發(fā) “液體防彈衣”.發(fā)明與創(chuàng)新 (大科技)，2011，3：37

6 李全陽(yáng),夏文水.市場(chǎng)流行攪拌型酸奶流變學(xué)特性的初步研究.食品工業(yè)科技，2003，24(5)：42-46

7 陳克復(fù)等編譯.食品流變學(xué)及其測(cè)量.北京：輕工業(yè)出版社，1989

8 楊述，高昕，于甜等.4種蛋黃醬的流變特性比較研究.食品科學(xué)，2011，32(15)：121-125

9 羅昌榮，麻建國(guó)，許時(shí)嬰.番茄漿料的流變特性研究.食品科學(xué)，2001，22(7)：28-32

10 王振東.非牛頓流體//《彩圖科技百科全書(shū)》編輯部.彩圖科技百科全書(shū)第一卷·宇宙.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，上海教育出版社，2005.190-191

11 王振東.春蠶到死絲方盡 —— 談液體的拉絲現(xiàn)象.力學(xué)與實(shí)踐，1994，16(1)：75-77

12 蔡兵.非牛頓流體紡絲拉伸流動(dòng).[博士論文].成都：四川大學(xué)，2002

(責(zé)任編輯：胡 漫)

O313

A

10.6052/1000-0879-16-044

本文于2016-02-23收到.

1)E-mail：nanj@tju.edu.cn

姜楠,田硯.舌尖上的非牛頓流體.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(1)：89-92

Jiang Nan,Tian Yan.The non-Newtonian f l uid on the tongue tip.Mechanics in Engineering,2017,39(1)：89-92