作者/刘永坤本文转载自案例科学《千变万化的流体（一）：一个做了90年的实验》
从躺在沙滩上，吹着微风，到吃着果酱吐司，等待滴落的粘稠果酱；镜面般的湖水到沥青(柏油)形成光滑的路面。这些东西有什么共同点？它们性质如此不同的原因是什么？
海水和海风具有流体的特性。图//Pixabay流体一般指任何可以流动的物体。在我们的经验中，主要包括气体和液体。比如我们周围的空气，到处都是水。但实际上，有些我们看起来是固体的东西，其实是流体，比如硬玻璃。所有这些物质都属于流体的范畴。显然，它们之间应该有某种决定性的区别，那就是它们的“粘性”。
流体的黏滞性
从微观的角度来看，粘度可以看作是流体分子之间的吸引力。我们可以想象面前有一杯水和一团麻。当我们对着它们呼吸的时候，从微观的角度来看，我们是在对它们表面的分子施加作用力。水分子之间的引力较弱，所以表层水受力后可以自由运动，形成波纹；但是麻分子之间有很强的作用力，表面分子被其他分子紧紧抓住，所以没有明显的运动。
它看起来很粘，但可能不适合粘列表。在我们的生活中有一种粘度系数非常大的流体，虽然也许大家从来没有把它当成流体，那就是沥青。为了测量沥青的粘滞系数，物理学家进行了一个持续时间最长的实验：沥青滴落实验。到现在(2021年)，已经持续了90多年。感兴趣的读者可以通过以下链接参与本次实验的直播：http://www.thetenthwatch.com/feed/.
图一。沥青滴落实验。2021年8月17日，作者截图自上述实验。如果读者没看到沥青在滴，毫无疑问是播放键坏了。毕竟根据实验记录，最后一滴用了13年！这个实验设立于1927年，迄今为止，只投下了9滴沥青。以此估算，沥青的粘度系数将是水的1000亿倍。因此，沥青将可能是粘度指数排行榜榜首的候选之一。
如果我们看另一端，那里的粘性系数非常小，我们可以想象这样的流体一旦受到外力就会非常容易流动。也许读者会好奇，有没有可能粘滞系数为零？是的，这种流体叫做超流体。举个例子，如果咖啡是一种超流体，我们加入奶油和糖搅拌半个小时后，会发现它还在不停地旋转，根本没有停下来的意思！这种流体具有非常独特的性质，但由于其背后的物理原理比较复杂(有几个诺贝尔物理学奖都与这个话题有关)，作者将把这个话题留到下一篇文章再做完整的介绍。接下来我们先介绍如何描述流体的运动，也就是流体流动的类型：层流和湍流。
层流与紊流
当我们要描述流体时，可以用箭头标出流体中每一点在某一时刻的瞬时速度，箭头的方向指向该点的运动方向，箭头的长度就是运动速度。例如，在细管中，如果有水流过，可以预期水流将近似平行于管壁。此外，由于管壁的摩擦，靠近管壁的流体速度会最慢，而中间的速度最快，形成如图2所示的速度分布。
图二。管道内流体速度分布示意图。在这种情况下，流体可以看作是逐层的、稳定的流动，称为“层流”。虽然表面上看起来流体的分子是以非常整齐的队列行进的，但实际上流体中存在着各种不稳定性(流体中的不稳定性遍布日常生活，我们会在后超流体文章和读者中介绍这种现象。)，这样会使流体稍微受到扰动。如果流体的粘度足够大，这些微小的扰动就会被摩擦力消耗掉，使得整个流动依然稳定。但是，如果扰动足以克服摩擦力，不同层之间的流体就会开始混合，形成类似旋涡的复杂结构，这种结构称为湍流。从上面的描述可以看出，流体的运动与扰动的大小和流体的粘度有关。科学上，流体的“雷诺数”将用于描述流体运动的类型。
层流和湍流现象在日常生活中非常普遍。我们不需要计算雷诺数，从外观上就可以大致判断出流体是层流还是湍流。比如在欣赏壮丽的瀑布(图3)时，你会发现，在水落下之前，水流比较平缓，颜色是深蓝色的；但是当水开始下落形成瀑布时，水流变得不稳定，形成白色的水花。当读者看到这个的时候，他们一定能够判断出他们对应的是什么样的流体运动。
图3。尼亚加拉瀑布景观地图。可以看出，水流稳定，在下落之前比较接近。
层流；落下后则转为紊流，充满白色的泡沫。图片来源：Kevin Payravi
流体在日常中无处不在，流体性质的研究并非仅仅只是纯科学的探索，它们早以走进每个人的生活中。例如飞机机翼如何设计增加浮力、高铁车头什么形状可以降低风阻、甚至容器瓶口要如何设计，才不会倒水时沿着瓶身留下…等等，这些都和流体的特性密切相关。流体，值得我们更深入的认识它！
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