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: 2022-02-23

本文详细解释了彩条牙膏的制作过程及其颜色不混合的科学原理,包括牙膏的流体性质、雷诺数对流动的影响等。

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:那么彩条牙膏是怎么制作的呢?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。那么雷诺数高或者低又有什么影响呢?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(它们的流变学性质相同),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。那么怎么保证挤到最后还有2种颜色的彩条呢?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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