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Frank聊流变——万物皆流

更新更新时间:2024-03-20      点击次数:1109

子在川上曰:“逝者如斯夫,不舍昼夜”

这句话,就囊括了朴素的流变学理念。

流变应当是一个充满趣味,与我们的生产生活息息相关的科学,但同时又枯燥深涩:满纸的公式、方程会让人望而却步。我们今天聊的,试图用一种通俗易懂的语言方式,让流变的知识变得触手可及,直至成为一种常识,最终内化为发现问题,分析问题和解决问题的方法。条条大道通罗马,而流变,只不过是通向罗马的路径之一

一、有趣的流变现象

读书是一个由厚到薄,再从薄到厚的过程。对流变的学习和理解,也概莫能外。在科学发展进化的历史长河中,人类认识世界和改造世界的能力,总是伴随着对各种自然现象的本质化解读、解释。所谓透过现象看本质,对本质的孜孜追求,就成为了科学。

与流变相关的例子在生活中比比皆是,只不过我们没有从流变的思维去探讨过。例如:

孩提时代,在湖面上用轻薄的石头打水漂,看谁的石头打得远;

无论是人还是动物,一旦陷入沼泽地,越挣扎,就会陷落得越快;

法国沙塔尔大教堂的玻璃,1200年到现在,发现上面变薄了,下面变厚了;

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再比如,喷鼻子的药物,说明书或者外包装上总是清晰的告之:用前摇一摇。这又是为什么?

和面机和面的时候,为什么搅拌轴上总是爬满了面团?

在用吸管吃盒装酸奶的时候,吃完后揭开封膜,发现封膜和杯子的内壁上总是残留部分酸奶。有想过为什么吗?这点浪费有更好的办法可以解决吗?

在泡茶的时候,总是在茶水的表面,会形成一层茶膜。有想过为什么吗?

天天刷牙。牙膏为什么挤了才会出来,不挤不会出来。这又是为什么呢?

透明胶带放置的久了,再用发现不粘了。

厨师在做汤的时候,为了不让其他的原料沉淀和分层,往往会加入淀粉勾芡。这又是为什么?

例子很多,不胜枚举。归根结底,这些现象都与流变息息相关。科学家们不断地问着为什么,持续探究问题背后的答案,不断解决社会进步过程中的一个又一个疑难问题,最终形成了科学理论,称之为流变学。

二、流变学概述

2.1 流变学定义

流变学”的英语名称是“rheology”,这一术语是美国Bingham提出的。流变学是研究物质变形和流动的科学,它的研究对象主要是非牛顿流体,高分子流体(包括溶液和熔体)等。

在这里,我更倾向于用“软物质”这个词来定义和指代所有的流变学研究的对象。软物质(softmatter)是指处于固体和理想流体之间的物质。又称软凝聚态物质。包括各类非牛顿流体,高分子聚合物,地质熔岩,矿渣泥石流,地壳运动等各类物质或者材料。一般由大分子基团组成,包括液晶聚合物胶体、泡沫、颗粒物质、生命体系物质(如DNA、细胞、体液、蛋白质)等。可以是固-液混合物、液-液混合物、气-液混合物等。在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。随处可见的橡胶、胶水墨汁洗涤剂、涂料、化妆品、食品等都属于软物质。

软物质这一概念很好的表达了流变学的本质,万物皆流,哪怕高山。与流变相关的特征,粘弹性,时间尺度,宏观与微观等,软物质这个词汇相对准确且完整的表述了流变学所要研究的物质对象。

一句话,流变是研究软物质流动和形变的学科。

2.2 流变学简史

流变学很年轻,从成为独立学科到现在,短短百年。在流变学的发展历程上,有三个伟大的科学家值得铭记。

1687年, I.牛顿首先做了简单的剪切流动实验。实验指出,两板之间的速度分布u(y)服从线性规律。作用在上板的力同板的面积、板的运动速度成正比,同间距d成反比。

 

1678年,英国人胡克的弹性定律指出:弹簧在发生弹性形变时,弹簧的弹力和弹簧的伸长量(或压缩量)成正比。弹性系数只由材料的性质所决定,与其他因素无关。可以理解为固体材料受力之后,材料中的应力应变(单位变形量)之间成线性关系


1928年,美国物理化学家Bingham提出了流变学的概念,次年成立了流变学会,创办流变学报。这标志着流变学的诞生。

牛顿和胡克奠定了最基本的流变学理论基础,宾汉姆继承了前人的成果且实现了新的突破,把流变学推向了一个崭新的、快速发展的轨道。

2.3 流变学功用

一门学科,总是理论和应用交织在一起,互为支撑,不断推动人类走向新的文明。在实际的工业应用中,流变学家不断发展新的理论,呈现出百家争鸣的局面。我在这里仅限于讨论实用流变测量学的功用,那些复杂的本构方程,偏微分数据处理,眼花缭乱的傅里叶变换,留给从事理论研究的流变学家们去表达陈述,我更多的思考聚焦在如何利用流变学的基本理论,公式模型,解决实际工程问题。比如研发配方的改进剖析,工艺过程管道的优化,质量控制的一致性评价等。一言蔽之,解决流变测量的问题。

(A)从流变学的思路,试图用软物质的概念来囊括液体、固体、半固体,甚至气体等物质。软物质是一个富有想象力的词汇,为流变学测试和增进理解搭建了一条坚实的桥梁。

(B)如何从流动和形变、流动或形变的多维度测试和数据分析,去映射工业应用领域遇到的实际困境。不同的行业,都有不同的倾向和侧重。尽可能全面、完整的实现流变测量与工业应用之间信息整合,试图跨越这个信息、知识鸿沟,让更多的业者尝试用流变的思维解决问题。

(C)单纯从术的角度,与大家一起剖析如何选择适合于自己的需求的旋转流变仪。做石油化工和做胶黏剂的,高校做科研的和企业做质量的,在选择流变仪的考量上肯定有很大的差别。

三、关于流变学的工具书

3.1 《实用流变测量学(修订版)》,石油工业出版社,2009年3月

 

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没有复杂桀骜的公式,推荐这本书。这本书从流变学的基本概念入手,深入浅出,重点阐述了旋转流变仪和转矩流变仪等先进的仪器和测试方法,结合很多实际应用,给出了如何进行流变学测量的正确建议,为科研工作者和流变学入门者为进入流变学圣殿架起了一座桥梁。

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3.2 《聚合物实验流变与应用》,上海交通大学出版社,2003年

这本书对于流变学的理论,概念,公式做了大量的严谨的,科学的阐述,结合流变仪在各个行业的应用案例,把复杂的流变学变得通俗易懂,且充满趣味。书中翔实的介绍了各种与流变学相关的测试仪器和测试方法,实用性很强。

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如果有耐心看完这两本书,对于流变仪的了解和理解,基本上是入门了。接下来可以利用仪器设备进行一些开创性的研究了。

 

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