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Rheologist

知乎:沥青如果算作流体,那是不是其他物质也有这种缓慢流动的特性,只是我们察觉不到?

原文链接:http://www.zhihu.com/question/20705539/answer/15926433

感谢@陳浩 的答案。

回答问题:是的。所有物质都有流体的特性。但由于种种原因我们觉察不到。

这本来是流变学第一章绪论的内容。我恰好最近试讲做过这门课的PPT。有些图片可以放上来。

一、沥青实验
问题中的沥青实验(The Pitch Experiment)网上有很多介绍。问题中的那段介绍太故事性了,我补充一些平实一点的资料,但不详细解释了。

1984年 T. Parnell在Eur. J. Phys.上发表了一篇文章描述了这一实验,题目就是The pitch drop experiment
Eur. J. Phys. (1984) 198-200. doi:10.1088/0143-0807/5/4/003
截止到那一年为止,一共收获了6滴,最后一滴是在1979年。根据这六滴的时间,假设沥青在管子中的流动符合泊肃叶定律,可以估算沥青的粘度在10^6到10^8 Pa s范围。

Wikipedia的词条:Pitch drop experiment
词条下面的链接也是比较有价值的资料。

上一滴在2000年,由于技术原因没录下实况。下一滴预计在今年下落。实况直播视频地址:
The Pitch Drop Experiment
有兴趣的朋友可以留意,说不定能亲眼看到此过程。

二、物质的流动与形变
这就是@陳浩答案中关于Deborah数的内容,但是可以用一个更好理解说法。实际物质的形变和流动行为到底“像固体”还是“像流体”,取决于作用力的时间。如果作用力时间足够长,岩石也是流体,证据就是地质学中观察到的岩层褶皱。

橡皮泥在不同外力作用时间下的行为也不同:

以上这种现象,叫粘弹性(viscoelasticity),概念就是,物质能否流动,要看外力作用的时间。有的物质作用一会儿就流动了,有的物质要作用很长时间才流动,物质自己特有一个特征时间,所以有Deborah数这一概念。群山在上帝面前流动,是因为上帝没有寿命问题,也就没有时间长短的概念。那么在他眼中,真正是万物皆流(panta rhei)。

还有一种现象,叫屈服,是说,物质能否流动,跟外力作用时间无关(或说关系不大,因毕竟万物皆流),而跟外力的大小有关,存在一个临界的大小,叫屈服应力。以上这杯东西,靠重力是挤不出来的。加上一个1000g的砝码,也挤不出来(不是时间的问题);但加上一个4000g的砝码,就顺利的不断被挤出来了。它的粘弹性不显著,但存在一个在1000~4000g之间的屈服应力。

这就造成,区分流体还是非流体,不谈外力的大小和作用时间的话是没有意义的。

我推荐这一视频:
http://www.youtube.com/watch?v=Ol6bBB3zuGc
顺便问问如何给一个视频加上中文字幕?我想听译该视频后加上中文字幕,将来上课的时候给学生看。

三、玻璃态
很不幸,这个问题又扯到了“玻璃”。我研究的算是这一块,但我很害怕这个词。

@陳浩 教堂玻璃是谣言。“非晶”太广了,但金属的塑性形变跟晶体的位错有关。所以只能说流不流动跟物态是两回事。玻璃态也有热运动但是非常慢,而且也不清楚它想要达到的“平衡态”到低是什么东西。玻璃态分子热运动需要牵扯一个很大范围的协同运动(所以才慢),有外力作用的情况下可以帮助这些协内运动的范围发生变形,热运动会加快,所以流动性会有所改善。玻璃也发生屈服,可以流动。但有延迟屈服现象(delayed yielding),所以一定力的作用下,现在没屈服也不敢说将来不屈服。一切都要看外力作用的大小和时间。所以可以说玻璃能够流动。但你也可以说,都已流动了,那就是熔化了,就不是玻璃了。在外力作用下热运动变易,就跟升温作用下热运动变易是一回事——都是热运动变易了。这种变易跟那种变易没有质的不同,都是布朗运动,所以也是一种熔融,还有个词叫shear melting,因此死不承认流动的是玻璃也无甚不可。不过,对于胶体玻璃,其热力学控制参数不是温度,而是填充体积分数(相当于分子体系的压力吧),相互作用强度和距离。其在在外力作用下的流动,很难说是shear melting因为它本来就不是因为freezing造成的。因此,一个完整的相图应该包括体积分数、温度和外力三个坐标。这就是Jamming图像的来历。

但是仍然有很多细节问体。因为玻璃是一个远离平衡态的非平衡体系,几乎一切性质都有时间依赖性。所以,并没有明确的Tg,也没有明确的\phi_{max}和屈服应力。所以实际上并没有一个很明确的Jamming边界。最多只能说对于零温体系,可能存在Jamming的转变。一个明智的做法是,涉及到玻璃的话,啥都别去界定——至少在目前的认识程度基础上。

一句说,玻璃是不是玻璃,也依赖于观察时间。

课题组流变学入门PPT(2)

上次放出了第一次课的PPT,其实很快就又上了第二次课。但PPT一直没放出来。第二次课是关于大幅振荡剪切方法的,但兼谈了非线性粘弹性的其他表征方法。

一点感想:要做流变学研究,真的需要一段时间的密集学习。我自己的亲身经历是基本上没有师兄师姐带,完全靠天天看Rheol. Acta和Trans. Soc. Rheol.上的老文章来学习,弯路走得多,但是获益也不少。是到很后面,我才看例如Bird或者Ferry的textbook的。而这些内容也主要限于流体力学和测量学方面。由于课题的关系还要看胶体物理的paper,看懂光散射、统计。还要熟悉两台流变仪,特别是外单位送过来奇形怪状的样品,维护仪器和空压机,有时要自己去大德路惠福西买配件。此外要做LAOS数据采集,还要懂信号处理的原则性问题,写MATLAT界面。搞了这么多,似乎懂不少,并没有什么实惠,因为我还是没有原创性的工作,不见得就发得了PRL。所以做PhD乃至postdoc其实都是自找苦吃,原意做的人都是一定程度上的乐在其中。这也造成了圈子里的人一般都好聊,还挺可爱。

圣诞快乐

平安夜,学生要思修期末考,我过去监考。心想噢耶又能看到学生了。有时会莫名其妙地以为学生不喜欢看到我,所以就很喜欢“sorry,至少监考必须是我,学校规定的”这种情况。

班长说,考完之后我们班同学留一下。他祝大家圣诞节快乐,送每人一个苹果,一张贺卡。我也有一份。听说过90后学生们圣诞节送苹果桔子什么的,但是收到自己学生送的东西还是高兴透了,跟收到情书似的。回去的路上,贺卡打开看了又看。做老师真是一件幸福的事,钱少一点也值了。

圣诞快乐!

接下来的时间里,我准备安排访问宿舍,每次聊四个人,完成“与学生长谈”的任务。真正需要单独长谈的,也许只会是个别几个,目前也没发现谁有这必要。访问宿舍,也不希望占用学生太多时间,估计聊半小时,话题力求面面俱到,四个人的情况和想法都了解到一点,做好记录就行了。多多少少还是能了解到一些信息的。但这对我的语言组织和时间把握能力上就有所要求了。其实,访问学生宿舍,跟主持《康熙来了》很相似。主持人在半小时以内,不断地要问出有趣的问题不能冷场,四个通告艺人曝光时间都要照顾和分配好,节目主题所要求的一些内容也要尽快一一点到,控制节目时间,直到最后喊“谢谢~~”节目结束。《康熙来了》里的嘉宾尚且会主动配合做节目效果,访问宿舍学生如果内向一点的可能不一定都有话讲,想不冷场更难。有人提议说,其实如果怕冷场,那就买一包瓜子儿,大家剥,气氛就立刻没所谓冷不冷场了……第一次访问的宿舍想选择我最不放心的学生。四年访问所有宿舍一次不难,两次也不难,总之轮着来,有空就访一次,作为一种及时发现问题的机制——以及借机看学生。

临近圣诞,我在Youtube上下载了一个美国老电影It’s a wonderful life(中文好像译作《生活多美好》)到手机上,每天上下班路上看一点,今天恰好看完。下载这个片子是因为我对美国上世纪上半叶的文艺生活都很着迷,但是看完这片子才发现这称得上是人类社会拍得最好的电影。人自从离开意气风发的少年时代之后,开始要放弃一些理想,然后渐渐感到力不从心,事情不再只看努力,欠个天时地利往往就不对付。豆瓣影评有一句话说得真切:

每每生活陷入低潮时,我们总是先问自己:如果我不是为了做自己想做的事,现在的我是不是会很有钱,至少凭借我的聪明才智可以衣食无忧?或者当初不是因为亲情、因为友情、因为爱情,我是不是早就脱离了这个烂圈子,可以一心一意做我想做的事……

相比假如自己压根儿没来到这世上,一切会变成什么样子。也许实际上世界确实不会因为一个人在或不在世而变得更美好或更丑陋。但是影片展示了你所无法改变的路径上所有美好的一面。人也许就应该这么去想,因为你只能选择一条路。“一片树林里分出两条路——而我选择了人迹更少的一条,从此决定了我一生的道路”。

影片善有善报结尾,圣诞节大家终究得以享受祥和。

不知道是不是岁数上来了,我现在相信上帝是存在的,只是我没必要变成一个教徒去做那些死板的礼拜,因为他未必一定是圣经上写的那样的上帝。可是想想,我为何会如愿以偿的做这份职业?我为什么会获得这几个性格简直是为了量身订做的一生的朋友?为什么会遇到这么对味口的人作为我的导师然后变成我上司?为什么会遇到一群这么可爱的学生?我这人不友善,我可不是那种只要学生我就会爱的好老师,可我这个班的学生似乎是经有人亲手为我挑过似的。感叹It’s a wonderful life其实跟感叹上天待我不薄是一个意思。

It’s a wonderful life