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蜗牛能爬快点儿么?

蜗牛吃菜

已经发表在7月份《新知客》专栏,切务转载。

像蜗牛这种动物,一直给人的印象就是移动得很费劲儿,但仿生学家研究发现,蜗牛的爬行方式也包含了大自然的智慧。其主要法宝,就是它分泌的粘液。蜗牛能在墙上不掉下来,靠的主要它粘液的粘力;但是蜗牛又不是像胶水那们被粘死在墙上,它爬行的时候要拿粘液当作润滑剂来用。如果蜗牛的粘液粘稠到能承受其自身的重量,那它在这种粘液上爬动岂不是一直要使出自身重量水平的力气?这对大多数陆地生物来说都是很费劲的事情。

其实蜗牛分泌的粘液,不是那么简单的液体,它的性质能使蜗牛在墙上“四两拨千斤”。经典液体的粘度是一个常数,不会随外力而变化。但蜗牛的粘液不一样,当施加的外力较小时,它的粘度很大,表现为很粘稠的东西,能把蜗牛粘住不滑下去。但是当施加的外力大于一定值后,它的粘度就会突然下降,变成很稀稠的东西,具有润滑的效果,蜗牛能很轻松地爬行。如果撤去外力,粘液的粘度又能很快恢复到原来的水平,使蜗牛不至向后滑下太远就能停住。因此,蜗牛爬行的时候,并不用一直使出搬动自身重量的力气,只要刚“启动”的时候使一下劲儿,把粘液变成很稀的东西,爬的时候就轻松了。

蜗牛的粘液的这种性质叫做“屈服”。力气不大,它就很强;力气大了,它“屈服”了,就变成很弱的东西了。如果想让蜗牛想爬得更快就要找一种屈服之后能变得越稀,同时静止后又恢复得很快的液体。在真实世界里,很难找到一种极端矛盾的液体。研究发现蜗牛分泌的粘液,已经达到了最佳的性质了。人造产品中的很多屈服流体,如果拿去给蜗牛用,不要说爬得更慢,甚至爬不成都有可能。例如玻璃瓶包装的茄汁,放久了一下要倒出来还倒不出来,要用力晃很久。可是一旦晃出来了,就很容易“啪”地倒出来一大滩,无非是屈服了。不过茄汁要放上一天才能恢复原来的粘度,如果给蜗牛用,它要么就爬个不停,否则一停就老粘不住。

流变学讲习班——几本流变学方面的书

在流变学讲习班上有很多人提出找不到流变学方面的教材。我知道的教材也不多,我也没有都全部看完。但是反正我认为流变学并不缺书。

我现在决定花时间看,并且正在看的是Bird写的书Dynamics of Polymeric Liquids(共两卷)。这套书可以说是流变学的“从入门到精通”。如果想只看一本书,应该看这本。

如果要专注本构方程,Larson有一本Constitutive Equations for Polymer Metls and Solutions。他还有一本The Structure and Rheology of Complex Fluids,包括了除高聚物之外的其他复杂流体的流变现象,是一个大观园。

快速入门,可以看Phan-Thien的Understanding viscoelasticity,才138页,从张量开始,讲到本构方程,再具体讲了聚合物和悬浮体系,算差不多了。Barnes还有一本An Introduction to Rheology,也薄书,但我觉得有点浅,不利于继续深入,所以其实达不到入门的效果。不要以为浅就是入门,帮你把最难的东西搞定才叫入门。

Barnes还写了一本A Handbook of Elementary Rheology,内容非常的全,可以用来补知识。

同时,我还有一个感想。以大幅振荡减切(LAOS)为例,现在很多人都认为这是很新的东西,流变学讲习班上的老师也不例外。其实Weissenberg在发明它的流变仪的时候就已经提出过谐波分析了,切实做谐波分析的文章早在七十年代也都有了。只是因为这个谐波分析没有物理意义,一直不受重视。到今天它受重视了,无非是因为科学在今天这个时代非常浮躁的缘故。现在的研究生看来看去都是近几年的paper,大多都培养出这种浮躁的心态,老一代科学先驱的那种严谨学风和学术品味已经所剩无几了。我觉得搞流变学研究也好,搞任何化学研究也好,不要依赖review和书,要亲自看几十年前的古老文献,受一下那个时代的学风的薰陶,要了解学科的发展历史。

以上推荐的书,作者本身都是流变学先驱,亲身经历了流变学的发展,因此书中透露着历史气质。流变学还有很多最近出版的教材,我都不去看,就是因为它们没有气质。除此之外,还有很多专门“忆苦思甜”的资料,例如英国流变学会的纪念K. Weissenberg诞辰80周年的专题,Larson、Giesekus、Lodge、Philippoff、Markovitz等流变学元老亲自执笔写文章,非常有价值。其次就是Waters和Phan-Thien主编的Rheology Series Vol. 7:Rheology – An Historical Perspective,讲述了整个流变学的发展史。