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总是倒不好番茄酱？你的非牛顿流体力学一定没学好

2021-03-17 14:35

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

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图片来源：pixabay

伴随着你对待它的方式不同，这种人见人爱的红色酱料会在粘稠和稀疏的状态之间转变。

撰文｜H.约阿希姆·施利希廷（H. Joachim Schlichting）

翻译｜王昱

审校｜吴非

他1965年，特奥多尔·施文克（Theodor Schwenk）在《敏感的混沌：流水氤氲的造物》（Sensitive Chaos: The Creation of Flowing Forms in Water and Air）中写道：“人们（感受到）这种流体……还没有固化，但是会对外界影响作出反应。”

我们在倒瓶装番茄酱时都有这种体会：即使瓶中剩下很多，也很难从其中倒出来。实际上，从红酒到食用油，所有流体状的食物，都会在容器中有一些残留。原因与容器的可润性（wettability）和物质的粘度有关。通常残留的只有薄薄一层，但番茄酱在容器内部残留的一层厚度却相当可观。就算番茄酱瓶是满的，只是倾斜一点，甚至是完全把它倒过来，都只能从瓶口附近掉出来一点酱汁。然而番茄酱一但倒到你的盘子里，它很容易就散开了。

让番茄酱液化，你需要用力摇晃瓶子，或是用手敲它。如果你不小心的话，撒到食物上的番茄酱可能要比你想要的多得多。

有经验的人知道，在摇晃瓶子后没必要着急，因为起效需要一点时间：趁这时你可以放松点，摘掉瓶盖，将瓶口瞄准你的食物。

番茄酱这个令人讨厌的特性不可避免地引发了一个问题：为什么食品制造商没能解决这个问题？答案很简单，番茄酱是被故意设计成这样的——不是为了惹人烦恼，而是因为一些情况下的确需要这些特性。比如，一窄条番茄酱应该留在热狗上，当你把热狗塞进嘴里时，它也不会溅到衣服上。番茄酱也不应该太粘，每咬一口，它应该立即在你的嘴里融化，无需咀嚼就能品尝。

物理层面上，番茄酱在摇晃、涂抹和被吃掉时承受压力。这堆物质的底部落在固体表面上，在静止时是粘稠的，而上层却可以自由流动。在“牛顿”流体中，粘度和施加在流体上的压力无关。对于番茄酱这种“非牛顿”流体，情况有所不同，因为更强的力会降低粘度。

这种行为，被称为剪切稀化，是由以增稠剂的形式被添加到酱汁（番茄糊、糖和其他成分的混合物）中的聚合物引起的。聚合物是由长原子链组成的复杂分子，它们相互缠绕并向周围释放能量。在这种状态下，聚合物非常粘稠。然而，施加足够大的剪切力时，提供了拉伸聚合物分子并使其纵向排列所需的能量。这些分子链变得容易彼此滑动，从宏观上看，结果是粘度降低。

一但剪切力减弱，番茄酱有条件沉降，聚合物分子就会再次纠缠到一起并释放能量。这个过程需要一点时间，这也解释了为什么酱汁在摇晃、剪切运动后不会马上溶解。

日常生活中还有诸如洗发水等物质会发生剪切稀化。少量洗发水很缓慢地流到你的手掌中，给你足够的时间举起手，把它揉进头发里。之后就几乎没有任何阻力，因为起泡的剪切力使液体变稀。尽管洗发水和番茄酱有相似性，它们还是有一点显著的区别：洗发水可以因为重力自由流动，而番茄酱则不然。热狗上的番茄酱只会呆在原地。另外两种非牛顿液体，墙面涂料和牙膏也会在被塑形后保持原样。

如果一些流体的粘度随剪切应力而减小，是否还有粘度增加的呢？实际上，厨房里就能找到一种常见的剪切增稠的物质：玉米淀粉和水混合形成的糊状物。这种混合物很容易以中等速度搅拌。但是当速度加快时，混合物的粘度会增加，最终变得非常坚硬，直到搅拌勺卡住为止。

这种水淀粉混合物的行为类似于流沙。在温和外力作用下，沙粒彼此滑动，因为它们被水润滑。突然的压力会将水从缝隙中挤出，迫使固体成分聚集在一起，极大地增加了阻力。和流沙一样，淀粉分子被一层水隔开。当强大的力量让它们彼此接触时，混合物就会结合在一起。