國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

非牛頓流體

一會兒軟趴趴,一會兒硬梆梆,這是什麼東西呢?

器材:太白粉、水盆、喇叭
操作步驟與現象

  桌子上擺放一盆太白粉的水溶液,將手插入水溶液中再拿起來,手上會沾滿白色的太白粉溶液。接著向觀眾說明:「這個太白粉溶液看起來沒什麼特別,但是它有一些很特殊的性質。」,然後握著拳頭,走向觀眾(或是將水盆拿到觀眾旁邊),問:「如果我一拳打下去,會發生什麼事?」。觀眾直覺上會認為太白粉溶液會噴濺出來,因此,當你一拳打下去,靠近的觀眾自然會想躲開。但神奇的是,來回的用力搥打(不要停留在溶液上),太白粉溶液不僅沒有噴濺出來,拳頭也不會沾滿太白粉喔!(如圖一)

  接著張開手掌,沉浸到水盆底部,問觀眾:「如果我快速的提起手,會發生什麼事?」通常觀眾會認為不會發生什麼特別的現象,但是當你快速的將手抽離太白粉溶液時,整個水盆會一起跟著被提起來!(如圖二)

  最後,在桌上灑上一灘太白粉溶液(如圖三),問觀眾說:「不用任何工具,只用一隻手,可以將這些太白粉溶液全部放到手心上嗎?」,試試看,你能不能成功!

 實驗影片(7.4M)

  實驗影片(5.5M)

   實驗影片(9.6M)

     圖一      圖二       圖三
※原理

  太白粉溶液和一般水溶液的差別是:太白粉溶液是一種「非牛頓流體」,而一般水溶液是「牛頓流體」。「非牛頓流體」的主要特徵是:流體的黏度會因為受到的壓力或速度而變化,壓力越大,黏度會增加,甚至成為暫時性的固體。因此當用力搥打非牛頓流體時,接觸面因為壓力大而黏度增加,拳頭就無法進入流體內部,也就不會沾上太白粉了。

  同樣的,浸泡在太白粉溶液底部的手,快速抽離時,應力使得太白粉溶液的黏度增加,就會黏在手上,整個水盆就會跟著被提上來(注意:水盆不能太大,避免太重提不上來)。而圖三中要將一灘太白粉溶液全部放到手心上的方法是:快速的來回撥動太白粉溶液,使其形成暫時性的固狀,再迅速

的放到手心上。但是靜止放在手心時,太白粉溶液很快回復流體狀,從指間流掉。

注意:配製非牛頓流體的太白粉溶液,太白粉和水的體積比例大約是2:1;如果水太多則不容易呈現非牛頓流體的特徵,可自行調整比例。

※延伸的科學遊戲

  如果空間與經費足夠,可以設計成跑道的形式,亦即製作成長方形的跑道,填裝太白粉溶液,然後可以從一端跑步到另一端(速度不能太慢),每個人都會有如水上飄的輕功,不會沉下去喔。

  此外,展現非牛頓流體特性的另一操作,是將太白粉溶液倒在喇叭上(比例為太白粉:水=5:2)。如圖四,先用塑膠袋包覆喇叭,再將太白粉溶液倒在喇叭上,調整頻率約為25Hz,並控制音量大小,可以看到太白粉溶液在喇叭上如同跳舞般的舞動(如圖五),似乎具有生命一樣,相當有趣。

       圖四         圖五

  非牛頓流體還有不少有趣的性質,包括Fano Flow、Weissenberg Effect、Barus Effect等等現象,有興趣的讀者可參考下列資料自行閱讀。

參考資料

1. 非牛頓流體:http://elixirr.sg1003.myweb.hinet.net/Chapter14-nonnewtonianfluid.pdf

2. M.I.T麻省理工學院:http://web.mit.edu/nnf/

3. Sciencelearnhttp://www.sciencelearn.org.nz/Science-Stories/Strange-Liquids/Non-Newtonian-fluids

4. Sciencebuzzhttp://www.sciencebuzz.org/buzz-tags/non-newtonian-fluids

5. Hight3chhttp://hight3ch.com/fano-flow-non-newtonian-fluids-defying-gravity/

6. Videojug (1)http://www.videojug.com/webvideo/how-to-do-the-weissenberg-effect-science-experiment

Videojug (2)http://www.videojug.com/webvideo/how-to-perform-the-barus-effect