物理学术竞赛题目之蜂蜜线圈

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1、蜂蜜线圈组号：20号作者：张烁一.相关问题研究一种细的，向下流动的粘稠液体，如蜂蜜，往往会形成圆形线圈。研究和解释这一现象。二.现象的原理蜂蜜具有非牛顿流体特性三.相关知识非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。1，基本定义按照流体力学的观点，流体可分为理想流体和实际流体两大类。理想流体在流动时无阻力，故称为非粘性流体。实际流体流动时有阻力即内摩擦力（或称剪切力），故又称为粘性流体。根据作用于流体上的剪切应力与产生的剪切速率之间的关系，粘性流体又可分为牛顿流体和非牛顿流体。　　  牛顿流体在

2、流体的流动曲线中，流体的剪切应力和剪切速率之间呈现非线性的曲线关系，凡不服从牛顿黏性定律的流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的流动称为非牛顿型流动。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。2相关理论斯托克斯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

3、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”，

4、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。3分类非牛顿流体可以分为三类，即非时变性非牛顿流体、时变性非牛顿流体、粘弹性流体。（1）非时变性非牛顿流体：流体的表观粘度只与剪应变率（或剪应力）有关，与剪切作用持续时间无关。（2）时变性非牛顿流体：流体的表观粘度不仅与剪应变率（或剪应力）有关，而且与剪切作用持续时间有关。（3）粘弹性流体：兼有粘性和弹性双重性质。非牛顿流体根据速度梯度的不同又可分为：胀塑性流体、假塑性流体和理想流体。四．实验仪器蜂蜜一瓶，不同口径的细管若干只，透明玻璃片

5、若干，游标卡尺一把五．实验装置图六．实验步骤1.测量不同口径的细管的直径d1,d2,d3,d4.....2.将蜂蜜注入细管一端同时倾斜细管，使蜂蜜从另一端流出到下方的玻璃片上，观察蜂蜜线圈的形成与变化。3.用不同口径的细管重复实验步骤2.实验数据记录表细管直径d1d2d3d4…蜂蜜线圈的形成与变化…七.现象的解释由于表面张力和重力的影响使蜂蜜流落下来时呈现出若干线圈，其线圈的形成于细管的直径有关。八.其他方面的应用　　2012年7月21日，湖南卫视《快乐大本营》十五周年第二场游戏环节中应用了非牛顿流体。　　英国科学家已经利用被戏称为“防弹蛋奶糊”的物质制成一种液体防护衣，这种防护衣在受

6、压后会自动变硬，吸收撞击在它表面的弹片产生的冲击力。事实上，这种物质就是一种显著的非牛顿流体。　　  液体防护衣原理示意图[2]非牛顿流体及其奇妙特性现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血黏度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），为什么会有这样的变化呢？这就要从非牛顿流体谈起。英国科学家牛顿于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，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，附着于上、下平板的流体质点的速度，分别是U和0，两平板间的速度呈线性分布，斜率是黏度系数。由此得到了著名的牛顿黏性定律。斯托克斯1

7、845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、流体各向同性及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，以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）。后来人们在进一步的研究中知道，牛顿黏性实验定律（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简单流体是适合的，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己不再满足线性关系。为区别起见，人