非牛顿流体力学 - Oobleck的奇怪行为现在是可预测的[视频]

一种新模型预测玉米淀粉和水，非牛顿流体可以表现得像固体或液体，这取决于它变形有多速度。当在玻璃中缓慢旋转时，混合物用作液体。但是当快速变形时，它可以表现为橡胶状固体，形成胶水串，如（此处串联所示）锤子将钉子从混合物中拉出。

这是一个很多学龄前儿童知道的现象：当你混合玉米淀粉和水时，发生了奇怪的事情。轻轻地吹在碗里，混合物像液体一样休息。挤压它，它开始感觉像糊状物。把它卷在你的手之间，它凝结成一个橡胶球。尝试在手掌中握住球，它会像液体一样运球。

我们大多数人玩这种东西都知道它是“Oobleck，”在Seuss'Abretholomew和Oobleck博士中的粘性绿色粘性命名。另一方面，科学家们将玉米淀粉和水作为“非牛顿液” - 这是一种材料，这取决于它的物理操纵方式较厚或更薄。

现在麻省理工学院工程师开发了一种数学模型，预测Oobleck的奇怪行为。使用它们的模型，研究人员准确地模拟了在各种条件下再次从液体从液体转动到固体上的Oobleck。

除了预测幼儿手中的东西可能做些什么，新模型可用于预测Oobleck和超细颗粒的其他解决方案可能表现为军事和工业应用。可以像一辆汽车暂时硬化，因为汽车驾驶暂时硬化吗？或许浆料可以垫可以拆下防弹背心的衬里，短暂地变成一个突然影响的添加盾牌。通过团队的新Oobleck型号，设计师和工程师可以开始探索这些可能性。

“这是一个简单的材料 - 你去杂货店，购买Cornstarch，然后打开你的水龙头，”麻省理工学院机械工程副教授Ken Kamrin说。“但事实证明了控制这种物质流动非常细微的规则。”

Kamrin以及研究生Aaron Baumgarten今天在国家科学院的诉讼程序中发表了结果。

一个笨拙的模型

Kamrin的主要工作侧重于表征粒状材料的流动，如沙子。多年来，他开发了一种数学模型，可以在许多不同的条件和环境下准确预测干燥颗粒的流动。当Baumgarten加入该组时，研究人员开始在模型上工作，以描述饱和湿砂的移动方式。这是在这个时候，Kamrin和Baumgarten在oobleck上看到了科学谈话。

“我们已经看到了这次谈话，我们漫长的辩论对oobbeck是什么，以及如何与湿沙子不同，”kamrin说。“在与亚伦来回的一点兴奋后，他决定看看我们是否可以将这个湿砂模型转变为Oobleck。”

Oobleck中的粒状材料比沙子更精细：单个玉米渣宽约1至10微米宽，约为一百粒砂粒。Kamrin表示，这种小规模的粒子经历效果较大的颗粒如沙子。例如，因为玉米淀粉颗粒非常小，它们可以受到温度的影响，并且通过在颗粒之间积聚的电荷，导致它们彼此略微击退。

“只要你慢慢地啜饮，谷物会击退，保持它们之间的一层液体，并且只是像流体一样滑过彼此，”kamrin说。“但如果你做任何太快的事情，你会克服那么糟糕的排斥，颗粒会触摸，会有摩擦，它会充当坚实。”

这种排斥在小规模上发生了在实验室规模的大型和超细谷物混合物之间的关键差异：给定填料密度的湿砂的粘度或稠度保持不变，无论你是否搅拌它，都会搅拌或猛击拳头。相比之下，oobleck在缓慢搅拌时具有低液体状粘度。但是，如果它的表面被冲压，则与接触点相邻的浆料的快速生长区域变得更加粘稠，导致OobLeck的表面反弹并抵抗撞击，如实心蹦床。

他们发现应力是确定材料是否更粘稠的主要因素。例如，较快且更有力的OoBleck受到干扰，它是“丛”，即底层粒子使摩擦越多，而不是润滑，接触。如果慢慢地变形，Oobleck的粘性较小，具有更均匀分布的颗粒，并且彼此互相排斥。

该团队寻求模拟排斥细颗粒的效果，概念可能将新的“Clumpiness变量”添加到它们的湿砂模型中，以制定精确的Oobleck模型。在他们的模型中，它们包括数学术语来描述这种变量如何在某个压力或力下生长和缩小。

“现在我们有一种强有力的方式来建模块状物体在身体中的任何块的块，因为你以任意方式变形，”Baumgarten说。

轮子旋转

研究人员将这个新变量纳入了他们更一般的湿沙型模型，并看着它是否会预测Oobleck的行为。他们使用模型来模拟其他人的实验，包括一个简单的Oobleck在两个板之间挤出和剪切，以及一组实验，其中小射弹以不同的速度射入oobbeck的坦克。

在所有场景中，模拟符合实验数据并再现Oobleck的运动，将其从液体变形的区域复制到固体，再次返回。

为了了解他们的模型如何预测oobbleck在更复杂的条件下的行为，该团队模拟了在浆料的深床上以不同速度驱动的带轮驱动。它们发现车轮旋转越快，混合物形成的是鲍姆加滕在oobleck中呼叫“凝固前方”的速度越多，瞬间支撑车轮，使其可以在不下沉的情况下滚动。

Kamrin和Baumgarten说，新模型可用于探索各种超细粒子解决方案，例如Oobleck在用作坑洼的填充物或防弹背心时的表现。他们说，该模型还可以帮助确定通过工业设备等系统重定向浆液的方法。

“通过工业废物制品，您可以获得不通的粒子悬浮液，不按照您的期望流动，并且您必须将它们从此VAT移动到该增值税，并且可能有人不知道的最佳实践，因为kamrin说，它没有模型。“也许现在有。”

该研究部分受到军队研究办公室和国家科学基金会的支持。