「初一餃子初二面」 -舌尖上的非牛頓流體

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新春佳節是合家團圓的日子。當一家人圍坐餐桌前，共享天倫之樂，欣賞美味佳肴的時候，你是否會想到，這琳琅滿目的美食中也包含了豐富的流變學知識呢？

祝各位師友新春快樂！

一、機器擠出的麵條為什麼會變胖？

初一餃子初二面，我是北方人，喜歡吃麵食，其中麵條是我的最愛，為此春節前專門買了一檯面條機，打算自己軋麵條。麵條機有多種模具，有圓的，有扁的，有粗有細，可以根據自己的喜好選擇。我選擇了直徑1.80毫米細孔的模具，可擠出麵條一看，麵條顯然比模具直徑1.80毫米的細孔粗得多，將近2.90毫米（見圖1），這是怎麼回事呢？原來這是非牛頓流體的擠出膨大效應。

圖1 麵條機將麵條擠出模具小孔

麵粉中含有大量的蛋白質、澱粉、纖維素等高分子物質，很多高分子物質都具有擠出膨大效應。高分子物質在沒有受到外力時，其中的分子鏈蜷縮成小團，一旦施加了外力作用，分子鏈就沿著外力方向舒展開。麵粉與水混合成小麵糰，小麵糰被螺桿壓入模具小孔，高分子物質的分子鏈受到螺桿推力，被迫沿著小孔方向取向，分子鏈儲存了一定的彈性勢能，取向過程的時間很短，由於高分子的黏彈性，一旦麵條脫離了模具小孔，壓力消失，這種取向作用就消失了，分子鏈的彈性勢能釋放，就產生回彈效應，宏觀上表現為麵條就要脹粗一些。看來麵條機模具設計者還不懂擠出膨大效應的原理，麵條機模具的小孔應該設計的再小一些。在製作裱花蛋糕的時候，也可以看到擠出奶油或者乳酪的小孔很小，但擠出的奶油或乳酪條卻比小孔粗，這也是擠出膨大效應（見圖2）。

圖2 乳酪擠出膨大效應

高分子物質的擠出膨大效應在高分子材料的生產中是特別需要考慮的重要因素，特別對於產品模具的設計十分重要。在高分子線材的生產中，根據擠出物的脹大係數，模具的孔徑一定要比所生產的線材的直徑要小，才能生產出合格的線材。如果按照設計線材的直徑加工模具的孔徑，則生產出的線材一定比設計的直徑粗。在生產矩形截面的產品時，聚合物熔體從一根矩形截面的模具口流出，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀（圖3）。

圖3 矩形截面擠出模具的形狀

二、肉餡為什麼越攪拌越費力？

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。

這是清代何耳寫的《水餃》詩。明《宛署染記·民風土俗》也記載：「時元旦，作扁食，奉長上為壽。」北方過年家家戶戶都要包餃子，包餃子和餡時會發現，向同一個方向攪拌肉餡，特別是羊肉餡，肉餡會越攪越稠，越攪越費力。這是因為肉餡也是非牛頓流體，具體來講是剪切變稠流體。這類非牛頓流體的黏度隨流速梯度增大而增大，這是因為當顆粒濃度很高並接近最緊密排列時，兩層間的相對運動將使顆粒偏離最緊密排列，需消耗額外能量。當流速增加而使顆粒動能增高時，產生絮凝，也使黏度增大。食品中有很多剪切變稠的流體，例如芝麻醬、肉糜、澱粉漿、麵糊等。吃涼拌菜少不了芝麻醬，如果筷子快速攪拌芝麻醬時，就會發現它越攪越黏稠，感覺到有很大的阻力。所以在攪拌這類物質時，需要逐漸添加適量的水降低它的黏度。

剪切變稠在工業上也有重要的應用，有人發明了「剪切增稠液」 （Shear ThickeningFluid）(STF)，將極其細小的納米球形微粒（如SiO2球形微粒）混入到不揮發、流動性好的無毒液體中，形成懸浮液或凝膠。這種流動性很強的液體和堅硬的微粒結合後，即能形成性能非比尋常的剪切增稠液體。這種新型液態材料平時非常容易變形，納米級硬質粒子呈懸浮狀態；然而，一旦受到衝擊，在碰撞點原先呈懸浮狀態的硬質納米粒子便會驟然聚集成微粒簇，從而使剪切增稠液體在瞬間變得十分堅硬，阻止致命衝擊對人體的傷害。當子彈高速撞擊這種材料時，「剪切增稠液」防彈衣就會吸引撞擊能量，並迅速變得極其堅硬。利用這種具有剪切增稠特性的液體也可製作多種人體防護裝備，這些防護服裝和服飾主要是用來防止和減少運動物體的衝擊、穿刺、切割、撕裂、拉伸所帶來的傷害和損害，擁有防衝擊、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防護服平時穿用非常柔軟舒適，一旦遭到砍刀、匕首等利物砍、刺，破片衝擊，就在受到衝擊的瞬間變得堅韌無比，而且能將衝擊力沿織物迅速分散開來，大大降低單位面積的壓強。當衝擊力消失之後，剪切增稠液又恢復液體狀態，織物也重新變軟。

圖4 英國BAE系統公司研製的液體防彈衣

英國BAE系統公司研製出一種液體防彈衣。這一具有革命性的發明就是採用「剪切增稠液」的液體，該液體在受到子彈衝擊時會變硬從而起到阻擋子彈的作用。新型液體防彈衣（圖4）可以為士兵提供史無前例的有效保護，同時又能保證他們自由靈活地運動，不再受到笨重的傳統防彈衣的限制。「剪切增稠液」還可噴塗於兩層芳綸1414織物之間，製成超強超薄防彈衣。本來芳綸1414材料的強度就是鋼鐵的五倍，因此它也被認為是標準的防彈衣材料。現在，這種新型超強超薄防彈衣比普通的防彈衣要薄得多，而重量只相當於普通的一半。

三、酸奶與剪切變稀

買來的酸奶有時會比較稠，用吸管吸食會比較費力，這時如果用小勺攪拌幾下，酸奶就會變得比較稀。這就是剪切變稀現象。剪切變稀的食品還有冰激凌、蛋黃醬、番茄醬和植物蛋白型飲料等。

有一種剪切變稀的潤滑脂，當施加一個外力時，潤滑脂的流動在逐漸變軟，表觀黏度降低，但是一旦處於靜止，經過很短時間，稠度再次恢復。潤滑脂的這種特性，決定了其可以在不適於潤滑油潤滑的部位潤滑，而顯示它優良的性能。此外，很多日化用品比如牙膏、洗髮露、潤膚露等都是剪切變稀的非牛頓流體。

圖5 撥絲蘋果的拉絲現象

四、拔絲菠蘿與拉絲效應

拔絲菠蘿、拔絲香蕉、拔絲蘋果（圖5）、拔絲山藥、拔絲紫薯、拔絲元宵等菜品是過年餐桌上的美味佳肴，亮晶晶的細糖絲玲瓏剔透，看著那麼誘人。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糖絲。這就是非牛頓流體的拉絲效應。春節逛廟會，孩子們都會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後，利用旋轉的剪切效應將糖漿牽拉成細絲製作成的（圖6）。如果仔細觀察製作糖葫蘆的過程，可以發現，將掛滿熱糖漿的山楂串要用力在泡過水的木板上一按，再來回搓動一下，在山楂靠木板的一側就會拉出一層薄薄的糖片（圖7），這實際也是也是糖漿的拉絲過程。

圖6 拔絲製作的棉花糖

圖7 糖葫蘆上的糖片

要說拉絲冠軍，非蠶和蜘蛛莫屬，蠶的腹部的絲腺內充滿了蠶絲的原料——絲蛋白的膠質溶液，稱為絲液。「後部絲腺」是合成絲蛋白的地方，「中部絲腺」是貯存即絲液的地方。蠶的頭部有一個由「角質蛋白」形成的「調節口」，當絲液經過它時，通過對絲液的流量進行適當的調節，就能拉成纖細而漂亮的絲線，其直徑可以細到0.002毫米，長度可達1200米左右，留下了「春蠶到死絲方盡」的佳句。現代化學纖維工業中，人們正在摸仿蠶所做的工作，用「拉絲」的辦法製造尼龍和滌綸等各種合成纖維。只是在開始做成絲狀時，先要對熔融的聚合物液體施加很大的壓力，使其從一個小孔中擠壓出來，再去牽拉。如何又快又好地拉出絲來，正是「流變學（Rheology）」中「拉絲流動」所研究的內容。實際上，我們現在還比不上蠶，還不能像蠶那樣只靠拉牽就能制出漂亮而結實的絲線來。

結束語

力學與人類的生產和生活密切相關，衣食住行等日常生活中存在很多力學知識、力學原理和力學現象，工業生產中有很多技術都是利用了力學知識和力學原理髮明出來的。只要我們認真觀察並認真思考，就能夠發現這些原理和奇妙現象，並體會到觀察生活、認識力學的樂趣，為科學技術進步做出貢獻。

本文轉自「力學與實踐」，特别致謝！