新模型最終可以預測血液和其他奇怪的液體如何流動

物理學家離提出一個完整的數學理論來預測血液和其他特殊液體的流動方式又近了一步。幾十年來，這些奇怪的行為一直困擾著研究人員。

并不是說我們嘗試過，但血液在輕推時實際上會略微變形，奇怪的是，當施加強烈的、突然的力時，它會變稠——從稀薄的水狀物質轉變為更粘稠、幾乎是固體的物質。

另一個（更衛生的）例子是你可能記得學校科學演示中的經典技巧：玉米淀粉與水混合。如果你慢慢攪拌它，沒有什么不對勁的，但擠一把混合物，它就會凝固成一個橡膠球。張開你的手，它會再次像液體一樣滴落。

實際發生的事情是一個例子非牛頓流體，一種不遵守牛頓粘度定律的流體，其特征在于應力、施加在液體上的力和應變（應變如何響應）之間的奇怪關系。

但這并不是非牛頓流體唯一奇怪的事情。它們還顯示出一種特別混亂的流體運動，稱為彈性湍流，這種運動只存在于這些流體中，而不是聽話的牛頓流體中。

湍流，任何形式的，都會變得井然有序層流在工業環境中，混亂、翻騰的混亂使混合或泵送流體變得困難，或者在湍急的河流上乘船顛簸。

它通常發生在高流速下，盡管它可能是一種熟悉的現象，但描述各種形式的湍流“仍然是經典物理學中最后一個未解決的問題之一”。宣布這項關于彈性湍流的新研究背后的研究人員。

研究人員在 1990 年代意識到在含有聚合物的水溶液中，聚合物是長而重復的分子鏈，聚合物的彈性拉伸和收縮導致層流變得不穩定。

在21世紀初，他們發現彈性湍流，這更加引人注目，出現在通常平滑的緩慢層流中。

彈性湍流被認為產生于非牛頓流體，非牛頓流體由懸浮在水狀液體中的超細顆粒、聚合物或微觀細胞組成，來自這些顆粒相互作用和移動的方式。溶液中沒有顆粒，這種現象就會消失。

科學家們認為彈性湍流與牛頓流體的經典湍流完全不同，牛頓流體的行為方式更加可預測。但根據該團隊的新模型，這兩種現象的共同點可能比以前想象的要多。

在日本沖繩科學技術大學研究流體動力學的航空工程師Marco Rosti的帶領下，該團隊測量了非牛頓流體流動的速度，并計算了三個點的差異，而不是通常用于測量和研究經典湍流的兩個點。

他們發現，具有彈性湍流的非牛頓流體在慢速流速下表現出間歇性的速度波動，就像牛頓流體在高流量下一樣——這一發現幫助他們對非牛頓流體的行為進行了統計預測。

“我們的結果表明，彈性湍流具有普遍的能量冪律衰減和迄今為止未知的間歇性行為，”解釋羅斯蒂。“這些發現使我們能夠從新的角度看待彈性湍流問題。

這項研究增加了物理學家的其他研究工作大踏步前進在描述非牛頓流體時，自 1930 年代以來，這些流體的奇怪特性一直讓研究人員感到困惑——當時他們沒有像我們今天這樣測量和模擬流體流動的儀器或計算機。

2019年，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發了 3D 模型這可以描述超細顆粒懸浮液，如玉米淀粉混合物，從液體變成固體在各種條件下再回來。

這工業應用這樣的模型非常有用，例如，允許研究人員預測和優化漿料在工業廠房的大桶之間流動時的行為。

Rosti團隊開發的新模型可能具有類似的實際用途。

“有了完美的理論”——如果存在這樣的事情——“我們可以對流動進行預測，并設計出可以改變液體混合的裝置。說羅斯蒂。“這在使用生物溶液時可能很有用，”例如捐獻的血液和淋巴液。

或者，當我們其他人都在用番茄醬、蛋羹和牙膏弄臟時——其他三個有趣的非牛頓流體例子。

該研究已發表在自然通訊.

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