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为什么彩条牙膏的颜色不会混合?

时间:2017-12-07 20:26:05 来源:本站 阅读:3203299次

原标题:为什么彩条牙膏的颜色不会混合?

壹读精选

来源| 把科学带回家(ID:bringsciencehome)

作者| 七君

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。

▲ 彩条牙膏的制作

那么问题就来了,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(bingham plastic),属于非牛顿流体。除了牙膏,血液、酸奶、蛋黄酱都是宾汉流体。

▲ 保龄球在神奇的非牛顿流体上弹弹弹。非牛顿流体看着像水,但却比水“结实”。

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(bleeding)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。

▲ 红色和蓝色是常用的彩条颜色

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(Reynolds number)。

▲ 雷诺数的计算公式,开不开心,惊不惊吓?

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(viscosity)越大,它的雷诺数就越小;反之粘度越小,雷诺数就越大。

▲ 粘度低(左)和粘度高(右)的液体

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:

▲ 层流

这种流动叫做层流(laminar flow),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:

▲ 湍流

这种流动叫做湍流(turbulent flow),看图就知道,湍流的液体互相混合。

▲ 上面2个是层流,下面2个是湍流

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。

▲ 历史上最早的彩条牙膏管子设计,和现在的彩条牙膏很不一样

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。

- 我想科学家是想委婉地告诉我们,便便在出世前就已经摆好造型了~

- 刷牙的时候不要说这么恶心的事。

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