对“稠”与“稀”的直觉
倒水会溅开,倒蜂蜜则缓缓爬行。两者都是液体,但抵抗流动的程度截然不同。研究这种抵抗——以及物料在外力下如何变形与流动——的学问,就叫做流变学。它是药剂学中默默发力的主力之一,因为几乎你能说出的每一种乳膏、糖浆、凝胶和混悬液都会流动,而它们如何流动,决定了使用是否舒适、生产是否顺利。
用来刻画“稠还是稀”的那个单一数值,就是黏度。大致来说,黏度就是内摩擦:流体抵抗被迫流动的强弱。蜂蜜黏度高,水黏度低。要把这件事说精确,我们得在液体本身的层面上,看清“被迫流动”究竟长什么样。
滑动的层:剪切应力与剪切速率
把液体想象成一摞极薄的层,就像平放的一副扑克牌。把最上面那张牌横向推开,它会拖动下面一张,那张又拖动再下一张,一直传到最底下那张静止不动的牌。每一层都比上面一层稍慢一点。液体正在被剪切。
你施加在最上层、单位面积上的横向力,就是剪切应力(符号 τ,单位帕斯卡)。各层相对滑动的快慢——速度差除以它们之间的间距——就是剪切速率(符号 γ̇,单位每秒)。黏度不过是两者之比:η = 剪切应力 ÷ 剪切速率。稠液体要达到某一剪切速率需要很大的应力,所以它的 η 很大。
第一道计算,以及一个有用的“近亲”
Worked example: finding viscosity from a measurement
A fluid is sheared between two plates.
Shear stress applied, tau = 50 Pa
Shear rate produced, gamma. = 25 /s
Viscosity:
eta = tau / gamma.
= 50 Pa / 25 /s
= 2 Pa.s (= 2000 cP)
So this fluid is about 2000x as viscous as water (~1 cP).你还会遇到运动黏度(符号 ν):普通黏度除以流体密度,ν = η ÷ ρ。它告诉你流体在自身重力下如何流动——对于会顺着管子流下的稀液体很有用。简单的奥氏黏度计就是通过测定固定体积流过所需的时间,直接测量它。在产品规格上用来概括这一切的日常说法,是稠度——患者所感受到的整体厚实感与“分量”。