這就是花生醬成為液體的奇怪物理學

是的,花生醬是液體(也是非牛頓流體的一個很好的例子)

Peanut butter on toast

以下文章經The Conversation許可轉載,The Conversation是一家報道最新研究的線上出版物。

那些運輸安全管理局的要求深深印在每位常旅客的腦海中:您可以攜帶每件體積不超過3.4盎司(100毫升)的液體。


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但是,當美國運輸安全管理局(TSA)最近根據這項規定沒收了一罐Jif花生醬時,花生醬愛好者們憤怒了。 一些對安檢持懷疑態度的人可能會懷疑,飢餓的官員只是想自己做花生醬三明治。 然而,TSA 堅稱花生醬是液體——而一整罐 Jif 花生醬超過了 3.4 盎司的限制。

就像美國人最喜歡的豆類三明治配料一樣,這個故事——以及它引發的憤怒——開始傳播開來。 然而,我是一名研究流體流動的機械工程師,TSA 的行動對我來說是有道理的。 按照科學定義,花生醬確實是液體。

首先考慮流體

要定義液體,我們必須首先定義流體。 任何在外力剪下下持續流動的物質都是流體。 將剪下力視為穿過物質的切割動作,導致其持續流動。 例如,移動手臂會導致周圍的空氣改變形狀——或者用物理學術語來說,變形——並流開。 當您的手臂划水時,水也會發生同樣的情況。

流體有很多種。 有些流體的行為非常可預測且流動順暢,例如空氣或水。 這些被稱為牛頓流體,以艾薩克·牛頓爵士的名字命名。 從科學上講,牛頓流體是指剪下力與它施加在材料上的應力(稱為剪下應變)成正比的流體。 對於牛頓流體,流體流動的阻力(即粘度)在給定溫度下是恆定的。

其他型別的流體流動起來並不那麼順暢和容易。 對於某些流體,如花生醬,可能需要最小的剪下或切割力才能使其流動,並且它可能與剪下應變呈非線性變化。 想象一下您正在攪拌一罐花生醬。 如果您快速攪拌,剪下力更大,花生醬就會變得更稀,而如果您攪拌緩慢,花生醬仍然會很硬。 這些型別的流體稱為非牛頓流體。 花生醬可能更粘稠而不是流動——也許您可以將這種運動視為更塊狀的風格。

花生醬實際上是非牛頓流體的一個很好的例子,因為它不像空氣或水那樣容易流動,但如果施加足夠的力,它就會流動,例如用刀子將其塗在麵包上時。 它的流動容易程度也取決於溫度——您可能在將花生醬塗在溫熱的吐司上後經歷過花生醬滴落的情況。

奇怪的流體就在我們身邊

我們的日常生活——但不是我們的飛機隨身行李——充滿了意想不到的流體物質。 總的來說,如果它可以流動,它就是流體。 並且它最終會呈現容器的形狀。

一些令人驚訝的流體是花生醬的廚房鄰居,如鮮奶油、蛋黃醬和曲奇麵糊。 您會在浴室裡找到其他流體,如牙膏。 自然界是其他奇怪流體的家園,如熔岩泥石流、雪崩和流沙。

礫石可以被認為是類似流體的。 單個顆粒是固體,但一堆礫石顆粒可以傾倒並填充容器——這就是所謂的顆粒狀流體,因為它具有類似流體的特性。 對於從盒子中倒出的穀物或倒入碗中的糖也是如此。

繁忙高速公路上的交通流動,人群從擁擠的體育場館中湧出。

您甚至可以將躺在陽光下的貓視為流體,當它攤開並填充其類似容器的皮膚時。 昏昏欲睡、放鬆的狗、松鼠甚至昏昏沉沉的嬰兒都可以符合流體的定義。

液體是流體的一種

現在,您可能會反對:但是,TSA 並沒有稱花生醬為流體,他們說它是液體!

流體分為兩大類:氣體和液體。 氣體和液體都可以變形並倒入容器中,並且會呈現容器的形狀。 但是氣體可以壓縮,而液體不能,至少不容易壓縮。

花生醬可以倒入容器中,然後變形,或呈現容器的形狀。 而且每個 5 歲的孩子都知道花生醬不會壓縮。 當他們將花生醬三明治或花生醬餅乾擠壓在一起時,花生醬不會擠壓成更小的體積。 不——它會從側面擠出來,弄到他們的手上。

所以,關於花生醬的結論:美味的液體。

如果您計劃在飛行途中製作花生醬三明治,請考慮攜帶少於 3.4 盎司的液體花生醬。 果凍這種液體的近親也是如此。

本文最初發表於The Conversation。 閱讀原文

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