新模型最終可以預(yù)測(cè)血液和其他奇怪的液體如何流動(dòng)

物理學(xué)家離提出一個(gè)完整的數(shù)學(xué)理論來(lái)預(yù)測(cè)血液和其他特殊液體的流動(dòng)方式又近了一步。幾十年來(lái)，這些奇怪的行為一直困擾著研究人員。

并不是說(shuō)我們嘗試過(guò)，但血液在輕推時(shí)實(shí)際上會(huì)略微變形，奇怪的是，當(dāng)施加強(qiáng)烈的、突然的力時(shí)，它會(huì)變稠——從稀薄的水狀物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吵?、幾乎是固體的物質(zhì)。

另一個(gè)（更衛(wèi)生的）例子是你可能記得學(xué)?？茖W(xué)演示中的經(jīng)典技巧：玉米淀粉與水混合。如果你慢慢攪拌它，沒(méi)有什么不對(duì)勁的，但擠一把混合物，它就會(huì)凝固成一個(gè)橡膠球。張開(kāi)你的手，它會(huì)再次像液體一樣滴落。

實(shí)際發(fā)生的事情是一個(gè)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(yīng)力、施加在液體上的力和應(yīng)變（應(yīng)變?nèi)绾雾憫?yīng)）之間的奇怪關(guān)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(yùn)動(dòng)，稱為彈性湍流，這種運(yùn)動(dòng)只存在于這些流體中，而不是聽(tīng)話的牛頓流體中。

湍流，任何形式的，都會(huì)變得井然有序層流在工業(yè)環(huán)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(fā)生在高流速下，盡管它可能是一種熟悉的現(xiàn)象，但描述各種形式的湍流“仍然是經(jīng)典物理學(xué)中最后一個(gè)未解決的問(wèn)題之一”。宣布這項(xiàng)關(guān)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(shí)到在含有聚合物的水溶液中，聚合物是長(zhǎng)而重復(fù)的分子鏈，聚合物的彈性拉伸和收縮導(dǎo)致層流變得不穩(wěn)定。

在21世紀(jì)初，他們發(fā)現(xiàn)彈性湍流，這更加引人注目，出現(xiàn)在通常平滑的緩慢層流中。

彈性湍流被認(rèn)為產(chǎn)生于非牛頓流體，非牛頓流體由懸浮在水狀液體中的超細(xì)顆粒、聚合物或微觀細(xì)胞組成，來(lái)自這些顆粒相互作用和移動(dòng)的方式。溶液中沒(méi)有顆粒，這種現(xiàn)象就會(huì)消失。

科學(xué)家們認(rèn)為彈性湍流與牛頓流體的經(jīng)典湍流完全不同，牛頓流體的行為方式更加可預(yù)測(cè)。但根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的新模型，這兩種現(xiàn)象的共同點(diǎn)可能比以前想象的要多。

在日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究流體動(dòng)力學(xué)的航空工程師Marco Rosti的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了非牛頓流體流動(dòng)的速度，并計(jì)算了三個(gè)點(diǎn)的差異，而不是通常用于測(cè)量和研究經(jīng)典湍流的兩個(gè)點(diǎn)。

他們發(fā)現(xiàn)，具有彈性湍流的非牛頓流體在慢速流速下表現(xiàn)出間歇性的速度波動(dòng)，就像牛頓流體在高流量下一樣——這一發(fā)現(xiàn)幫助他們對(duì)非牛頓流體的行為進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。

“我們的結(jié)果表明，彈性湍流具有普遍的能量?jī)缏伤p和迄今為止未知的間歇性行為，”解釋羅斯蒂。“這些發(fā)現(xiàn)使我們能夠從新的角度看待彈性湍流問(wèn)題。

這項(xiàng)研究增加了物理學(xué)家的其他研究工作大踏步前進(jìn)在描述非牛頓流體時(shí)，自 1930 年代以來(lái)，這些流體的奇怪特性一直讓研究人員感到困惑——當(dāng)時(shí)他們沒(méi)有像我們今天這樣測(cè)量和模擬流體流動(dòng)的儀器或計(jì)算機(jī)。

2019年，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開(kāi)發(fā)了 3D 模型這可以描述超細(xì)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(lái)。

這工業(yè)應(yīng)用這樣的模型非常有用，例如，允許研究人員預(yù)測(cè)和優(yōu)化漿料在工業(yè)廠房的大桶之間流動(dòng)時(shí)的行為。

Rosti團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新模型可能具有類似的實(shí)際用途。

“有了完美的理論”——如果存在這樣的事情——“我們可以對(duì)流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)出可以改變液體混合的裝置。說(shuō)羅斯蒂?！斑@在使用生物溶液時(shí)可能很有用，”例如捐獻(xiàn)的血液和淋巴液。

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

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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