吃軟不吃硬(非牛頓流體)教案分享
文/徐嘉宏
遠哲科學教育基金會講師
生活科學無所不在，只要用心體會差別，你會發現科學的奇妙讓這世界更多采多姿。地球表面百分之七十是水，人的身體也有百分之六十是水構成的，對於水的認識幾乎是與生俱來的，而水也幾乎就是人們對液體的代名詞。然而，在物理的分類裡面，水是屬於流體，並歸類於『牛頓流體』。牛頓於1687年提出，水在作一維剪切流動時，其剪應力與剪應變率成正比關係。後來發現，只有水和空氣等流體才滿足這種剪應力與剪應變率的線性關係，它們也因此被稱為『牛頓流體』。生活和生產中的大多數流體屬於『非牛頓流體』，它們在作一維剪切流動時，其剪應力與剪應變率之間呈非線性關係。 血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體都是『非牛頓流體』；牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物(聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠溶液等)也都是非牛頓流體。通常，這些物質也稱為軟物質。那究竟這些『非牛頓流體』所具有的特性與我們所熟知的水有什麼不同？
1.從調配非牛頓液體開始：
將太白粉分次加入水中攪拌均勻，少量的太白粉在水中與一般水溶液無異，當太白粉的比例到達一定程度時，會感覺到無論如何攪拌，太白粉都無法攪散的感覺，此時攪拌的力可視為對太白粉液體的施力，由於此時液體已達『非牛頓流體』性質，外加的施力會讓非牛頓流體產生『擴溶現象』，所謂的擴溶現象簡單來說就是太白粉分子在接受外力擠壓時，會排列整齊，形成類似固體的行為，而抵抗外力。但先決條件是外力施加的時間長短，當外力施加的時間緩慢，太白粉分子有足夠的時間移動，推擠，而無法形成緊密排列，此時仍是流體特性。
2. 觀察『非牛頓流體』的特性：
a. 觀察檢測：抓起一團『非牛頓流體』放在墊板，看看它有什麼變化？將墊板搖搖看，晃晃看？比較如果是一團水珠在墊板上情形?
b. 試著用手指擠壓『非牛頓流體』，或是用兩隻手指搓揉『非牛頓流體』，『非牛頓流體』的反應與水有什麼不同？
c. 試著將手放入『非牛頓流體』中，在液體中慢慢移動手指，再試著加快移動速度，說出你的感覺!
解說：由於『非牛頓流體』黏度較大，所以比起水珠可自由晃動，『非牛頓流體』並無法任意移動。當用手指擠壓『非牛頓流體』時，受手指擠壓的影響，『非牛頓流體』會變成塊狀或成粉狀，可顯見『非牛頓流體』受力擠壓變成固態的模樣。若是在『非牛頓流體』中移動，可感受到越是用力往前，阻力越大。
3. 測試『非牛頓流體』的受力特性:
a. 擠壓測試：用針筒裝滿『非牛頓流體』，然後嘗試將『非牛頓流體』從針筒內部射出，觀察射出後的情形與水有何不同？若是改用吸的又有何不同？
b. 撞擊測試：用橡皮筋做彈弓，對『非牛頓流體』發射紙彈，觀察紙彈射入『非牛頓流體』的情形。
c. 敲打頻率測試：利用攪拌棒敲打『非牛頓流體』液面，試著做出不同的駐波平面(花紋)。提示:敲擊的頻率要維持固定，花紋才容易呈現。不同頻率產生不同的花紋。
d.延展力測試：將『非牛頓流體』利用漏斗灌入氣球中作成『非牛頓流體』水球。並同時做一顆水球作為比較。
解說：由於『非牛頓流體』具有黏彈性質，也就是受力後有部分會恢復成原來的形狀，當『非牛頓流體』擠過狹小的針洞後，『非牛頓流體』部分會恢復成原來的樣子，所以射出後『非牛頓流體』的直徑將比針洞還大。若是用吸，則可見吸力對『非牛頓流體』產生固化效果，而在針洞處形成一個固態圓球。由於『非牛頓流體』對瞬間受力形成的擴溶現象，紙彈將無法射入中。敲打『非牛頓流體』，讓力以橫波方式傳遞出去，如果敲打的力有一定的頻率，將形成駐波紋，並可見在波峰位置『非牛頓流體』不斷往上生長的趨勢。而當『非牛頓流體』裝入氣球中，當氣球落地時可發現『非牛頓流體』水球呈現一半硬一半軟的情形，也就是『非牛頓流體』受力時擴溶效應的有效深度有其限制。
總結：生活處處可見學問，隨手可得的日常用品，也可找出新想法，『非牛頓流體』的應用就在你瞭解它的特性之後。一種有趣也以趨於成熟的材質就是利用這個概念，在常態下柔軟且具有彈性，一旦遇有高速衝擊或擠壓後，表面將變的堅硬而足夠消化外力，而當外力消失後則又恢復柔軟狀態，因此是一種能將『自由活動』與『碰撞打擊保護』結合的新穎材料。
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