为什么用口香糖可以把椰子壳砸出一个洞？

椰子水既能直接饮用，又可以和咖啡、气泡水、水果等搭配使用，成了许多人夏季饮品的首选。要想喝上最新鲜且纯天然的椰子水，最好的办法就是去水果店挑一个椰子，然后回家自己打开取水喝。

没有特殊的工具，怎么在坚硬的椰子壳上开个洞呢？如果说用口香糖就能轻松打开椰子，你相信吗？

原理揭秘：“吃软不吃硬”的剪切变稠流体

只要搜一搜，你就会发现网上有很多口香糖开椰子的视频。首先买一堆最常见的口香糖，然后把它们捏成底下大上面小的圆锥形，堆放在桌面上，然后把椰子举起来快速砸向口香糖堆的尖顶。咚的一声，一个坚硬的椰子居然就被口香糖砸开了！

口香糖居然真的可以在坚硬的椰子壳上开洞。图源：小红书

口香糖能开椰子，全靠口香糖“吃软不吃硬”的特性。面对慢慢的抚摸，它会很温柔，而面对快速的击打，它会很强硬。

在揭秘之前，我们先来了解一些流体流动的基本概念。在流体流动时，不同位置的流体往往速度不同。空间上每个点的流体和其周围的流体之间会存在速度上的变化，它们之间会发生相对运动。这种相对运动的剧烈程度可以用剪切率这个概念来描述。

流体流动时，空间上速度分布不均匀（图中不同颜色代表速度大小，红色越大，蓝色越小），每个点都和相邻位置间存在相对运动图源：作者绘制

流体内部也会存在相互摩擦，从而对它们之间的相对运动产生一定的抵抗作用，我们把这叫做流体内的剪切应力。我们用手搅水，会感受到阻力，这其中就有一部分是剪切应力带来的效果。

剪切应力和剪切率之间的比值叫做黏度，是衡量流体流动难易程度的重要属性。黏度越大，意味着流动相对越难，流体流动时需要克服更大的阻力。

如果黏度和剪切率无关，那么剪切应力和剪切率之间将呈现线性的比例关系。也就是说，剪切率增大多少倍，剪切应力也就相应增大多少倍。拥有这种性质的流体被归类为牛顿流体，像生活中随处可见的水、油等都属于这一类。

与之相对应的，如果黏度随着剪切率的改变也发生改变，这种就是非牛顿流体。口香糖就属于此，它的黏度会随着剪切率的变大而显著提高。我们单独把这种特性的非牛顿流体称为剪切变稠流体。

绘制剪切应力关于剪切率的变化曲线，牛顿流体是一条斜率固定的直线，而剪切变稠流体是一条斜率逐渐上升的曲线图源：作者绘制

当口香糖堆与椰子快速碰撞上的一瞬间，顶部撞击点附近的速度会很大，而剩余区域仍基本静止，导致口香糖中产生很高的剪切率。这时，口香糖的黏度会迅速升高，其流动性大幅削弱，瞬间从流体的柔软状态转变为接近固体的坚硬状态，从而对椰子的外壳产生强大的冲击力。不仅如此，圆锥形的造型可以把冲击力进一步集中，使得椰子更容易被击穿。

还能在哪里看到剪切变稠流体？

类似剪切变稠流体的例子在生活中还有许多，比如在玉米淀粉中加水形成的淀粉糊。你也可以在家做上一盆，亲自体验一下。用手轻轻捞起一把淀粉糊，它能像水一样从指缝中流走。但如果快速用力地握一下，会感觉淀粉糊变硬了许多，很难彻底捏烂它。

淀粉糊也属于剪切变稠流体，用力揉搓时像固体，一松手又恢复了高流动性。图源：Bilibili

有人做过更大胆的实验，在一个池子中装满淀粉糊，然后让人在上面奔跑。只要达到一定的速度，人就可以不沉下去，传说中的轻功水上漂就可以这么实现了。

人甚至可以在淀粉糊上奔跑，但只要一停下来就会沉下去。图源：Bilibili

在一些工程应用中也能发现剪切变稠流体的身影，它在很多领域中体现出了传统材料不具备的显著优势。比如，它可以用于制造高性能防弹衣、运动护具等防护装备，不仅防护出色、响应迅速、可逆性强，还兼顾穿戴舒适性。同时，它还可以作为减振材料，用于制造阻尼器和缓冲结构，不仅能有效耗散能量，还可以根据环境冲击智能调节振动响应，从而提升设备运行稳定性和使用寿命。

非牛顿流体：门派众多、各具特色

剪切变稠流体只是非牛顿流体的一种，那么还有哪些其他的种类呢？

和口香糖一样，油漆、牙膏、护手霜都属于非牛顿流体，各自有各自的特点。图源：搜狐

剪切变稀流体：与剪切变稠流体相反，它的黏度会随着剪切率的增大而降低，在缓慢运动时较为黏稠，而在快速运动时变得更稀薄，油漆就是其中之一。它在随着刷子快速移动时具有很好的流动性，能够在墙面上顺滑摊开。但在静置时又恢复了高黏度，不会从墙上流淌下来。此外，我们的血液也是一种剪切变稀流体。

宾汉流体：它介于固体和流体之间。当剪切应力低于临界值时，表现为固体，能够维持形状不流动。当剪切应力超过临界值时，才开始流动。比如，牙膏、护手霜、泥浆等，它们都需要用一定力度挤压才会从管口流出。

触变性流体：它的黏度会随着时间的推移而逐渐降低。比如，软膏刚挤出时比较黏稠，但随着反复涂抹，黏度会降低，便于均匀铺开。

许多非牛顿流体同时具备以上多种特性，也正是这些特性，让它们在特定的工业和日常应用中发挥了重要作用。

最后，你是不是迫不及待想试一下口香糖开椰子了呢？有个小小的建议：不能用嚼过的口香糖哦。因为当我们咀嚼口香糖时，口香糖内部的成分会发生变化，一些糖类、淀粉等会被溶出，同时增加很多水分，它的非牛顿流体属性也会改变，打开椰子的效果也会大打折扣。另外，记得砸的时候要快、准、狠哦~

作者：危安然，应用工程师，上海交通大学力学博士

来源：上海科技馆

编辑：姬子隰

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号