張懿德 樊新梅 沈朱蔚 朱文宇

摘 要：近年來，非牛頓流體材料憑借特殊的流變性能得到廣泛的應(yīng)用。為了探索非牛頓流體的應(yīng)用，在研究非牛頓流體的特性及發(fā)展的基礎(chǔ)上，項目小組同學(xué)通過實驗研究非牛頓流體材料在緩沖帶制作方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體;流變性能;緩沖帶

在一個綜藝節(jié)目中，主持人提出如何運用口香糖道具將椰子砸開，當(dāng)小朋友將口香糖捏成尖錐體快速扎向椰子，椰子被砸開了。這一幕讓在場嘉賓都驚呆了：看似軟軟的口香糖居然可以將外殼堅硬的椰子砸開！有點不可思議。這就是利用了非牛頓流體的神奇特性，那么非牛頓流體是什么呢？

先介紹一下非牛頓流體理論的來源：英國科學(xué)家牛頓通過設(shè)計一個以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動實驗，據(jù)此得到了牛頓黏性定律。基于此斯托克斯將三項條件進行理想化假設(shè)，進而導(dǎo)出了在流體力學(xué)研究方面得到廣泛應(yīng)用的線性本構(gòu)方程及得到普遍應(yīng)用的納維斯托克斯方程。隨后人們進一步了解到前人的兩個基礎(chǔ)性研究適用于低分子量，例如空氣和水等，但對于高分子量的流體而言，剪應(yīng)力與相應(yīng)的剪切應(yīng)變率之間則不存在線性關(guān)系，符合非牛頓流體的特性。非牛頓流體在生活中是普遍存在的，甚至絕大多數(shù)生物體內(nèi)的液體以及多數(shù)食品、工業(yè)中的液體都是非流頓體。

近年來隨著聚合物工業(yè)的快速發(fā)展，非牛頓流體的研究也有了較大的進展。專家學(xué)者不斷地研究非牛頓流體的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)非牛頓流體具備無管虹吸、湍流減阻、爬桿效應(yīng)、射流脹大、液流反彈等特性。

緩沖帶作為交通道路網(wǎng)絡(luò)中的重要部件，在設(shè)計時除了要考慮密封、制造工藝、平面厚度以及外觀與道路系的協(xié)調(diào)性。盡可能保證緩沖帶在長時間受到高強度的沖擊下，有最小程度的損壞，進而保障交通網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)健康運行。因此緩沖帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改進對交通網(wǎng)絡(luò)的健康運行有著至關(guān)重要的作用。

非流頓體在外力沖擊下會改變其粘度或流動性，當(dāng)受到緩慢、柔和的外力作用時，呈現(xiàn)柔軟的液態(tài)，因此產(chǎn)生的阻力也較小;當(dāng)受到劇烈的外力作用時，呈現(xiàn)出堅硬的狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻力，甚至出現(xiàn)堅硬的固體狀態(tài)?；诖颂匦?，創(chuàng)新項目小組的同學(xué)將緩沖帶中間鏤空化設(shè)計，將非牛頓流體填入中間。項目組同學(xué)通過實驗來探究緩沖帶填充液的配制。通過多次實驗，進行材料的制作以及減速性能測試。

首先合理籌備該項目的制作道具，以盡可能減少成本，提高緩沖帶制作水平及緩沖帶的質(zhì)量;組長分配好項目組各個成員的工作。

在配制填充液的過程中，通過調(diào)節(jié)緩沖液的比例發(fā)現(xiàn)，防凍液、淀粉、水以1：3：2比例進行配置得到的緩沖液濃度最合適。但通過對項目的進一步實驗研究，發(fā)現(xiàn)按該比例配置好的緩沖液，在靜止放置一段時間之后，會產(chǎn)生溶液分離的現(xiàn)象，水和淀粉會出現(xiàn)分離。項目小組的同學(xué)通過查閱書籍文獻以及各種網(wǎng)絡(luò)資源，最終通過資料了解到，水和淀粉出現(xiàn)分離是因為溶液的穩(wěn)定性不好，可以通過增加食用油來增加溶液的穩(wěn)定性。當(dāng)水、油和淀粉同時存在的情況下，可以最大程度地降低溶液的分離程度。溶液穩(wěn)定性不好的問題得到了較好的解決。

接下來在暑假里的一個月中，團隊組員在實驗中發(fā)現(xiàn)溶液會因為高溫腐壞。原因是在高溫天氣情況下，淀粉的存在使溶液容易產(chǎn)生變質(zhì)。雖然找到了問題，但是依舊沒有解決實際問題的辦法。雖然實驗條件下緩沖液可以放進冰箱保鮮，不產(chǎn)生變質(zhì)。但考慮到實際高溫天氣的情況下，對緩沖帶單獨冷存難以實現(xiàn)，所以這個方法不可行。經(jīng)過多次實驗以及資料的查閱，始終不能讓它保持新鮮。緩沖材料因高溫腐壞暫停進展，小組成員又嘗試了多種材料和多種方法，加入大量的油雖然可以使溶液在一定程度上防止腐敗，但是油的加入會降低溶液的冰點，使溶液在寒冷的環(huán)境容易變硬。高溫的問題使流體出現(xiàn)變質(zhì)或者發(fā)臭等問題，嚴重影響了溶液的穩(wěn)定性，這對于緩沖帶的實際使用也有較大的限制。經(jīng)過借閱書籍，上網(wǎng)查找等各種辦法，發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀可以較有效地解決高溫這個問題。緩沖液配料上加入了一些非牛頓流體，使它完全溶解于水中，然后再適當(dāng)?shù)募尤肓烁咤i酸鉀，提升溶液穩(wěn)定性。

經(jīng)過反復(fù)實驗，找到了適合制作緩沖帶需要的緩沖液配料及比例，按照指標進行緩沖帶的制作。解決了利用非牛頓流體配制緩沖液的配制問題之后，開始探究思考該如何將非牛頓流體轉(zhuǎn)入實物應(yīng)用之中，制作可用的緩沖帶成品。

在制作過程前，項目小組成員聚集在一起頭腦風(fēng)暴，列舉了很多計劃在制作材料上，由于成品必須要經(jīng)過試驗得到論證，必須要準備厚實并且牢固的材料來填充非牛頓流體，在經(jīng)過討論之后，初步?jīng)Q定使用橡膠管來填充溶液。

在制作成品前期，小組成員們進行了小型非牛頓流體實驗，測量按比例制作溶液需要多少材料，在經(jīng)過小容量多次運用試驗之后，把握制作非牛頓流體的控制用量，對非牛頓流體效果進行小范圍探索。經(jīng)過對非牛頓流體的研究，發(fā)現(xiàn)它的作用遠非如此，在完成緩沖帶后會繼續(xù)對非牛頓流體展開探究。

在探索過程中小組成員也遇到了新的問題，比如之前理論分析確定的填充方式實際中實施起來有難度，需要優(yōu)化裝填方式。在非牛頓流體制作完成后，項目小組成員按前面計劃進行開始制作盛放緩沖液的外部材料，在購買材料之后，小組成員遇到很多問題，例如材料并沒想象中的厚實，容易導(dǎo)致非牛頓流體泄露，因為材料大小的不足，導(dǎo)致填充的非牛頓流體后的成品并不能作為緩沖帶進行實驗，材料的問題和制作上的不足，導(dǎo)致制作成品遇到困難。

只能夠使用新的一些構(gòu)思來制作緩沖帶。購買不同的材料，然后再次對比第一次的制作過程，觀察如何優(yōu)化制作方法，改進緩沖帶的模型。同時，經(jīng)歷過上次的失誤，這次調(diào)整改變裝填方法，改為分段裝填，發(fā)現(xiàn)這樣做既有助于加快裝填速度，又方便檢查維修。

改進方案之后，小組成員加快了進程，小組成員將之前的緩沖帶的外觀加以改進，使用了一些噴漆，進行一些精加工，做成了緩沖帶模型。通過實驗測試，檢驗緩沖帶的緩沖效果，使牛頓流體在緩沖帶的使用上更加合理化。在結(jié)束了緩沖帶的制作后，根據(jù)之前多次試驗，這次使用了螺絲將緩沖帶模型的兩邊封住，完成了緩沖帶最后的一步。

通過此次創(chuàng)新項目，探究了如何提升緩沖帶的功能性以及安全性。制作此次項目過程中，遇到了很多的問題與困難，小組成員虛心學(xué)習(xí)并探索，經(jīng)過了很多嘗試，嘗試了各種材料進行了多次制作，最終完成了任務(wù)。在這次歷經(jīng)幾個月的項目實施過程中，項目小組同學(xué)明白了一個道理，要勇于創(chuàng)新，勤于發(fā)現(xiàn)，才能不斷發(fā)現(xiàn)新的知識。

參考文獻

[1] 黎 熊，劉 彩，邱望標.道路緩沖帶形狀對車輛平順性影響的研究[J].輪胎工業(yè)，2010，（01）

[2] 任玉曉.基于ADAMS/CAR的汽車通過緩沖帶時的平順性及行駛安全性研究[D].長安大學(xué)， 2009.

[3] 肖潤謀，王劍波，周維新.山區(qū)高速公路長下坡段專用緩沖帶設(shè)計與應(yīng)用[J]. 公路與汽運，2010，（03）.

[4] 王劍波，葉燕仙.城市道路緩沖帶的人性化設(shè)置[J].道路交通與安全， 2007，（03）.

[5] 韓 艷，山程明.緩沖帶減速原理及其應(yīng)用[J].道路交通與安全，2009，（06）.

[6] 王水生，張奎.長大下坡振動緩沖帶合理間距研究[J].公路與汽運， 2008，（05）.

[7] 許源， 朱順應(yīng)， 彭武雄， 劉兵， 孫琴梅， 管菊香. 基于汽車動力學(xué)的振動緩沖帶設(shè)置間距研究[J]. 交通科技 ， 2008，（01）.

[8] 葉燕仙， 王劍波， 運偉國. 基于人性化的城市道路緩沖帶設(shè)置[J]. 交通標準化 ， 2007，（10）.