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文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“把科學(xué)帶回家”(ID:steamforkids)
每天刷牙的時(shí)候,你有沒(méi)有想過(guò)彩條牙膏的彩條怎么來(lái)的?為什么不同顏色的彩條在牙膏管子里不會(huì)混在一起?
其實(shí),如今的彩條牙膏在管子里的樣子和擠出來(lái)的樣子差不多。你可以切開(kāi)一個(gè)看看。切開(kāi)的牙膏是這樣的:
如果把彩條牙膏凍住,然后剪開(kāi)包裝,就是這樣的:
那么彩條牙膏是怎么制作的呢?
在工廠里的時(shí)候,機(jī)器把不同顏色的彩條分別裝到一個(gè)中間有隔板的管子里,不同顏色的彩條被隔板隔開(kāi)。接著就像做冰淇淋那樣,機(jī)器把所有彩條一起打到牙膏管子里。
彩條牙膏的制作
那么問(wèn)題就來(lái)了,不同顏色的彩條在牙膏里怎么不會(huì)混合在一起,尤其是在被擠了很多次以后?
這要分成靜止?fàn)顟B(tài)和擠牙膏2個(gè)情況討論。
靜止的牙膏里的彩條不變色,主要是因?yàn)?個(gè)因素——牙膏的流體物理性質(zhì)以及彩條所用的色素。
牙膏是一種賓漢流體(bingham plastic),屬于非牛頓流體。除了牙膏,血液、酸奶、蛋黃醬都是賓漢流體。
保齡球在神奇的非牛頓流體上彈彈彈。非牛頓流體看著像水,但卻比水“結(jié)實(shí)”。
賓漢流體的一個(gè)超強(qiáng)屬性就是,在不受力,比如沒(méi)有被擠壓的情況下,它可以像固體一樣基本不流動(dòng)。而受到了一定程度的擠壓后,賓漢流體才能開(kāi)始流動(dòng)。
因此當(dāng)牙膏沒(méi)有被你擠的時(shí)候,彩條能保持比較稠密的狀態(tài),比較接近不能流動(dòng)的固體,可以在牙膏管里互不干擾。
另外,在一般情況下,不同顏色的染料會(huì)發(fā)生滲色(bleeding)的現(xiàn)象。彩條牙膏的生產(chǎn)廠家為了防止彩條互相滲色,常用聚乙烯包裹染料,使它們變得穩(wěn)定。
這就是靜止的牙膏彩條不會(huì)混合的兩大原因。
紅色和藍(lán)色是常用的彩條顏色
那么在擠牙膏的時(shí)候,為什么不同顏色的彩條不會(huì)混合呢?
剛才說(shuō)到牙膏是一種賓漢流體。當(dāng)你在擠牙膏的時(shí)候,彩條就會(huì)流動(dòng)起來(lái),變得更像液體而不是固體,這樣它們才能從牙膏管子里流出。
當(dāng)牙膏流動(dòng)的時(shí)候,它就必須要符合一個(gè)可怕的流體力學(xué)規(guī)律——雷諾數(shù)(Reynolds number)。
雷諾數(shù)的計(jì)算公式,開(kāi)不開(kāi)心,驚不驚嚇?
計(jì)算雷諾數(shù)的這個(gè)公式看看就好了,反正我們以后不考。它的意思是,一種流體的粘度(viscosity)越大,它的雷諾數(shù)就越小;反之粘度越小,雷諾數(shù)就越大。
粘度低(左)和粘度高(右)的液體
那么雷諾數(shù)高或者低又有什么影響呢?
雷諾數(shù)決定了液體是怎樣流動(dòng)的。
具體來(lái)說(shuō),如果雷諾數(shù)小于2100,那么液體將這樣流動(dòng):
層流
這種流動(dòng)叫做層流(laminar flow),層流的液體平行運(yùn)動(dòng),不會(huì)攪和在一起。
如果雷諾數(shù)大于4000,那么液體將這樣流動(dòng):
湍流
這種流動(dòng)叫做湍流(turbulent flow),看圖就知道,湍流的液體互相混合。
上面2個(gè)是層流,下面2個(gè)是湍流
對(duì)于牙膏來(lái)說(shuō),它的粘度非常大,因此它的流動(dòng)只能是層流。擠牙膏的時(shí)候,位于邊緣的彩條和中間的白條一起平行流出,所以擠出來(lái)的牙膏彩條也不會(huì)混合在一起。
當(dāng)然了,牙膏和粘度較小的水混合后,雷諾數(shù)蹭蹭上漲,所以彩條的顏色就會(huì)混在一起,水乳交融了。
最后,因?yàn)椴煌伾牟蕳l有相同的流速(它們的流變學(xué)性質(zhì)相同),因此可以保證擠到最后也不會(huì)出現(xiàn)某種彩條被首先擠完的情況。
不過(guò),當(dāng)彩條牙膏剛剛誕生的時(shí)候,可不是現(xiàn)在這個(gè)樣子。
歷史上最早的彩條牙膏管子設(shè)計(jì),和現(xiàn)在的彩條牙膏很不一樣
在最早的彩條牙膏管子里,彩條被分別牙膏管里的不同位置。這個(gè)設(shè)計(jì)是在1955年出現(xiàn)的,它的發(fā)明人是個(gè)叫做 Leonard Lawrence Marraffino 的美國(guó)人。一開(kāi)始 Marraffino 想設(shè)計(jì)的是一種帶斑點(diǎn)的牙膏,沒(méi)想到意外設(shè)計(jì)出了彩條牙膏。
在這種彩條牙膏里,兩種不同顏色的彩條并不是被組合好再打到牙膏管子里的。
實(shí)際上,紅色的彩條被放在靠近牙膏管子開(kāi)口的地方。白色的彩條比較多,它被放在在靠后的位置。牙膏口子向內(nèi)延伸了一段,這一段上面有幾個(gè)狹長(zhǎng)的縫,紅色彩條就是從這里流出來(lái),然后和白色彩條匯合的。
那么怎么保證擠到最后還有2種顏色的彩條呢?
這是因?yàn)樵谶@種牙膏里,紅色彩條和白色彩條的粘度不同,紅色彩條的粘度比較小,所以它更加順滑,流得比較快。白色彩條的粘度更大,流得更慢。
這兩種不同粘度的彩條搭配以后,就能保證直到最后一滴,擠出來(lái)的牙膏都有兩種顏色。
不過(guò),這種設(shè)計(jì)的銷量并不好,后來(lái)逐漸被更加簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì),也就是我們現(xiàn)在使用的彩條牙膏替代了。
圖片來(lái)源:Groundwater Dictionary, wikipedia, ScienceAlert,nP-dog's blog, Business Insider, giphy, imgur
參考資料:
https://www.gsk.com/en-gb/behind-the-science/patients-consumers/science-of-a-different-stripe/
https://bashny.net/t/en/91030
https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/70-ans-de-sciences-et-avenir-le-secret-du-dentifrice-a-rayures_116813
https://www.youtube.com/watch?v=RVZ6mUffJgw
https://www.britannica.com/science/laminar-flow
https://www.archtoolbox.com/materials-systems/hvac/laminarflowvsturbulentflow.html
http://www.russochemie.ru/upload/iblock/documents/Brochure%20Cosmetic%20Dispersions.pdf
http://www.sensient-cosmetics.com/pageLibre000105e3.aspx
http://ijppsjournal.com/Vol3Suppl3/2152.pdf
來(lái)源:把科學(xué)帶回家
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