展品“身边的凯伊效应”蕴含的科学精神

展品“身边的凯伊效应”蕴含的科学精神

宁书斌

天津科学技术馆   天津   300201

内容摘要：展品“身边的凯伊效应”展示的是剪切稀化非牛顿流体下落时发生的有趣现象。但它只是一个科学现象，尚未发现有更多的应用。科学就是这样，不是现在所有的科学理论都是“有用”的。制作并展示这件展品，就是想让观众了解展品背后蕴含的科学精神，而这，正是科普的意义！

关键词：身边  凯伊效应   科学精神

一、什么是凯伊效应

1963年，英国一位名不见经传的工程师艾伦·凯伊对一种现象进行了第一次描述：将混合有机溶液倒到一固体表面，这表面突然向上喷出一束液体和向下倒的液束相会。因此，这种现象称为“凯伊效应”。

凯伊效应发生在具有剪切稀化性质的粘稠非牛顿流体上。“剪切”是指液体层之间的平移摩擦。“剪切稀化”是说当两层流体之间摩擦的时候，局部的粘度就会降低，变成更稀的样子。

上面的解释是从科学角度来说的，如果从科普的角度来解释，则需要引入一个概念----非牛顿流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。

这几年，非牛顿流体这个名词特别火，在科技馆的科普表演和实验中经常用到其中的一种----淀粉水。淀粉水属于非牛顿流体中的剪切增稠流体，它具有遇弱则弱，遇强则强的特点，即你可能在大面积的淀粉水上面跑步，但不能在上面站着，否则就会下沉。

还有一类非牛顿流体，特点正好相反，叫剪切稀化流体，如酸奶、洗发水、番茄酱、油漆等等，它们具有遇弱则强，遇强则弱的特点。大家在喝酸奶时可以试试：用吸管轻轻搅拌酸奶，你会发现有阻力；如果你用些力气，就会发现酸奶越搅拌越顺畅，越省力。

 “凯伊效应”所说的混合有机溶液，就是指剪切稀化非牛顿流体。

二、展示原理

我们知道，水下落时，会马上与下方的水融合并迅速流走。由于剪切稀化非牛顿流体所具有的特性，它下落时会在下方局部“堆积”起来，再加上下落液流的冲击作用，在堆积处又会形成凹陷的“小坑”。因此，再下落的液体并没有立即融合到下方的液体中，反而还喷射了出去(见图一)。而这些小坑成为抛射液流的轨道，促成液流在轨道中顺利滑行的则是剪切稀化的性质。

图一：凯伊效应示意图

展品“身边的凯伊效应”展示的是剪切稀化非牛顿流体在下落时发生喷射的有趣现象。之所以在凯伊效应前冠以“身边的”字样，是因为凯伊效应就存在于我们身边，每个人在家中倾倒洗头水、沐浴液、洗衣液等时，都能看到这个现象。当然，下落的液流直径与下落的高度是有一定比例的，你只要调整好液体下落的高度，在适合的位置就能看到“凯伊效应”。

三、展品设计

“身边的凯伊效应”箱体分为内外两层，外圆和底座为箱体，箱体前后覆盖钢化玻璃；内圆中间为演示装置。

展品箱体上要两个钮，一个是按钮，按下后，从塑料管口流出一束蓝色的剪切稀化流体，落在漏斗下方斜放的玻璃板，观众就能够看到“凯伊效应”：液体下落时呈抛物状四外喷射。等到演示自动停止后，观众可再次按下按钮。

为了增加观众的参与度，我们还增加了一个旋钮。观众可以调整玻璃板的角度，然后观察液体落在不同角度上的斜面时产生的不同效果。

四、展品的科学精神

1、科学现象有没有用？

“凯伊效应”虽然有趣，但它只是一个科学现象，尚未发现有更多的应用。因此，有些专家对这件展品持有异议，认为它只展示了一个现象，没有科学价值。对于这种说法，我们持不同意见。

我国著名数学大师陈省身先生在《二十一世纪的数学》中，首先讲了一个故事：早在欧几里得的《几何原本》里就讲了正多面体的知识。“有些人可能会想，数学家们一天到晚没有事情可做，无中生有，搞这些多面体有什么意思？”“现在化学里的钛化合物就和正多面体有关系。这就是说，经过2000年之年，正多面体会在化学里有用，有些数学家正在研究正多面体和分子结构间的关系。” “这表明，当年数学家的一种‘空想’，经历了这么长的时间之后，是很‘实用’的。”

科学就是这样，不是现在所有的科学理论都是“有用”的。就像“凯伊效应”，也许它永远就是一个现象；也许在几十年、几百年、甚至几千年后，人们才能发现它很有用。

制作并展示这件展品，就是想让观众了解展品背后蕴含的科学精神，而这，正是科普的意义！

2、生活处处是科学。

艺术家说,生活中不是缺少美，而是缺少对美的发现。对科学来说，又何尝不是这样？在日常生活中，再平凡的工作和常见的现象，都可能包含着深刻的科学道理。

牛顿只是被掉落的苹果砸了一下，就知道了“地心引力”吗？瓦特看到水蒸汽顶得水壶盖噼啪作响就发明了蒸汽机吗？吉尔伯特只是随便磨擦了石头就发现了电吗？不是的，那是因为他们乐于观察、善于思考、认真分析的结果。在我们身边，存在许多科学现象，只不过我们缺少一双智慧的双眼，也没有认真观察的耐心，所以不能发现它们。

在“凯伊效应”前加上“身边的”三个字，就是想通过展品去告诉观众：科学，一直都在我们身边！但科学需要我们用一双智慧的双眼去发现、去探索！

作者简介

宁书斌，天津科技馆展品部技术人员，长期从事展品制作与维修工作，负责本展品的制作

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