对于经常⻜⾏的旅客来说,美国运输安全管理局(TSA)的要求⼀点都不陌⽣:仅允许随身携带体积不超过100毫升的液体。最近,TSA根据这项要求没收了⼀位乘客的⼀罐花⽣酱。这引发了争议,⼀些⼈怀疑这只是贪吃的安检员⾃⼰想要⽤这罐花⽣酱做花⽣果酱三明治(PB&J)罢了,⽽不是因为不符合要求。不过,TSA对此表示花⽣酱是⼀种液体,⽽这⼀整罐花⽣酱正好超过了100毫升液体的标准。
想要定义什么是液体,我们⾸先需要知道什么是流体:任何在剪应⼒(shear force)的作⽤下持续流动的物质。剪应⼒可以通过使这种物质发⽣剪切形变,从⽽持续流动下去。例如,当我们移动⼿臂时,周围空⽓的形状会发⽣变化(或者说变形),并继续往前流动。⽽当我们的⼿臂划⽔时,⼿臂周围的⽔也会发⽣相同的变化。流体种类繁多。
有些流体能够不论所受的⼒如何,都可以继续流动(如空⽓或⽔),这被称为⽜顿流体(Newtonian fluids)。严格来讲,⽜顿流体是指剪应⼒与剪应变(shear starin,⽤于衡量受⼒后的变形程度)成正⽐的流体。这种流体在给定温度下流动时所遇到的阻⼒(或者说黏度)恒定不变。然⽽,并⾮所有流体都属于⽜顿流体。像花⽣酱这样的流体需要施加⾜够的剪应⼒才能使其流动,⽽且剪应⼒与剪应变之间并⾮线性关系。
想象⼀下,当我们搅拌⼀罐花⽣酱时,如果快速搅拌(即产⽣较⼤的剪切作⽤⼒),花⽣酱就会变稀,⽽如果放慢速度搅拌,花⽣酱则会保持黏稠的状态。这类流体被称为⾮⽜顿流体(non-Newtonian fluids)。花⽣酱是⼀种⾮常典型的⾮⽜顿流体,它不像空⽓或⽔那样轻易就能流动,但可以在⾜够的作⽤⼒下(例如⽤⼑把它涂在⾯包⽚上)流动起来。
除此之外,它流动的难易程度还依赖于温度,例如当花⽣酱被涂抹在温热的吐司上时会滴落下来。
事实上,我们的⽇常⽣活中随处可⻅这种奇异的流体。我们基本上可以认为,但凡能流动的都属于流体。它们的形状会随着容器形状的变化⽽变化。例如,厨房⾥的⽣奶油、蛋⻩酱和饼⼲⾯糊,以及浴室⾥的⽛膏。⾃然界⾥也存在着⼀些奇异的流体,如熔岩、泥⽯流、雪崩和流沙。
砾⽯也算是⼀种流体,虽然每个单独的颗粒都是固体,但所有砾⽯颗粒的集合却会表现出类流体的特性——可以被倾倒和使⽤容器盛装——⽽被称为粒状流体(granular fluid)。甚⾄⼀只躺在阳光下的猫都满⾜流体的定义,⽽可以被看成是⼀种流体。
不过,值得⼀提的是,TSA并没有直接将花⽣酱称为流体,⽽是把它称为⼀种液体。事实上,流体被分为两⼤类:⽓体和液体。
⽓体和液体都可以发⽣变形并倒⼊容器中,然后呈现出所在容器的形状。但⽓体可以被压缩,⽽液体则较难压缩。花⽣酱的确可以被倒⼊容器中,然后发⽣变形。连5岁的孩⼦都知道,花⽣酱不能被压缩。因为花⽣果酱三明治或花⽣酱饼⼲被压在⼀起时,花⽣酱不但不会被压缩反⽽会从侧⾯喷到他们的⼿上。因此我们只好认为花⽣酱是⼀种美味的液体了。
如果下次你想在⻜机上⾃制花⽣果酱三明治,请不要携带超过100毫升的花⽣酱“液体”,以及果冻。