为什么彩条牙膏的颜色不会混合?

作者: 七君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-11-08

本文详细解释了彩条牙膏在管内和挤出时不同颜色彩条不混合的原因,涉及牙膏的流体物理性质和流体力学规律。

每天刷牙的时候,你有没有想过彩条牙膏的彩条怎么来的?为什么不同颜色的彩条在牙膏管子里不会混在一起?其实,如今的彩条牙膏在管子里的样子和挤出来的样子差不多。你可以切开一个看看。切开的牙膏是这样的:如果把彩条牙膏冻住,然后剪开包装,就是这样的:在工厂里的时候,机器把不同颜色的彩条分别装到一个中间有隔板的管子里,不同颜色的彩条被隔板隔开。接着就像做冰淇淋那样,机器把所有彩条一起打到牙膏管子里。

不同颜色的彩条在牙膏里怎么不会混合在一起,尤其是在被挤了很多次以后?这要分成静止状态和挤牙膏2个情况讨论。静止的牙膏里的彩条不变色,主要是因为2个因素——牙膏的流体物理性质以及彩条所用的色素。牙膏是一种宾汉流体,属于非牛顿流体。除了牙膏,血液、酸奶、蛋黄酱都是宾汉流体。宾汉流体的一个超强属性就是,在不受力,比如没有被挤压的情况下,它可以像固体一样基本不流动。

而受到了一定程度的挤压后,宾汉流体才能开始流动。因此当牙膏没有被你挤的时候,彩条能保持比较稠密的状态,比较接近不能流动的固体,可以在牙膏管里互不干扰。另外,在一般情况下,不同颜色的染料会发生渗色的现象。彩条牙膏的生产厂家为了防止彩条互相渗色,常用聚乙烯包裹染料,使它们变得稳定。这就是静止的牙膏彩条不会混合的两大原因。那么在挤牙膏的时候,为什么不同颜色的彩条不会混合呢?刚才说到牙膏是一种宾汉流体。

当你在挤牙膏的时候,彩条就会流动起来,变得更像液体而不是固体,这样它们才能从牙膏管子里流出。当牙膏流动的时候,它就必须要符合一个可怕的流体力学规律——雷诺数。计算雷诺数的这个公式看看就好了,反正我们以后不考。它的意思是,一种流体的粘度越大,它的雷诺数就越小;反之粘度越小,雷诺数就越大。雷诺数决定了液体是怎样流动的。

具体来说,如果雷诺数小于2100,那么液体将这样流动:这种流动叫做层流,层流的液体平行运动,不会搅和在一起。如果雷诺数大于4000,那么液体将这样流动:这种流动叫做湍流,看图就知道,湍流的液体互相混合。对于牙膏来说,它的粘度非常大,因此它的流动只能是层流。挤牙膏的时候,位于边缘的彩条和中间的白条一起平行流出,所以挤出来的牙膏彩条也不会混合在一起。

当然了,牙膏和粘度较小的水混合后,雷诺数蹭蹭上涨,所以彩条的颜色就会混在一起,水乳交融了。最后,因为不同颜色的彩条有相同的流速,因此可以保证挤到最后也不会出现某种彩条被首先挤完的情况。不过,当彩条牙膏刚刚诞生的时候,可不是现在这个样子。在最早的彩条牙膏管子里,彩条被分别牙膏管里的不同位置。

这个设计是在1955年出现的,它的发明人是个叫做Leonard Lawrence Marraffino的美国人。一开始Marraffino想设计的是一种带斑点的牙膏,没想到意外设计出了彩条牙膏。在这种彩条牙膏里,两种不同颜色的彩条并不是被组合好再打到牙膏管子里的。实际上,红色的彩条被放在靠近牙膏管子开口的地方。白色的彩条比较多,它被放在在靠后的位置。

牙膏口子向内延伸了一段,这一段上面有几个狭长的缝,红色彩条就是从这里流出来,然后和白色彩条汇合的。这是因为在这种牙膏里,红色彩条和白色彩条的粘度不同,红色彩条的粘度比较小,所以它更加顺滑,流得比较快。白色彩条的粘度更大,流得更慢。这两种不同粘度的彩条搭配以后,就能保证直到最后一滴,挤出来的牙膏都有两种颜色。不过,这种设计的销量并不好,后来逐渐被更加简单的设计,也就是我们现在使用的彩条牙膏替代了。

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