Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
РЕОЛОГИЯ

РЕОЛОГИЯ

РЕОЛОГИЯ (от греч. rheos - течение и logos - учение) - наукао деформациях и течении реальных сплошных сред (напр., неньютоновскихжидкостей со структурной вязкостью, дисперсных систем, обладающих пластичностью). Р. рассматривает процессы, связанные с необратимымиостаточными деформациями вещества ( релаксацию напряжений, последействиеупругое, ползучесть материалов и т. п.). В основе Р. лежат осн. законы гидромеханики и теории упругости и пластичности (в т. ч. законыИ. Ньютона о сопротивлении движению вязкой жидкости, Навье - С таксауравнения движения несжимаемой вязкой жидкости, Гука закон сопротивленияупругого тела и др.).

Р. может рассматриваться как часть механики сплошных сред. ВР. устанавливают зависимости между действующими на тело механич. напряжениями, <вызываемыми ими деформациями и их изменениями во времени. При обычных вмеханике сплошных сред допущениях об однородности и сплошности материалав теоретич. Р. решают краевые задачи деформирования и течения твёрдых ижидких тел. Осн. внимание обращается на сложное реологич. поведение вещества(напр., когда одновременно проявляются свойства вязкие и упругие или вязкиеи пластические). Общее реологич. ур-ние состояния вещества вряд ли можетбыть установлено из-за существ. различия свойств разнообразных материалов, <но имеются ур-ния для многих частных случаев. При описании реологич. поведенияматериалов пользуются механич. моделями, для к-рых составляют дифференциальныеили интегральные ур-ния, куда входят разл. комбинации упругих и вязкиххарактеристик. Реологич. моделями пользуются также при изучении механич. <свойств полимеров, внутреннего трения в твёрдых телах и др. свойствреальных тел.

Рис. 1. Механические модели реологических сред: а - упругое телоГука; б - вязкая жидкость Ньютона; в - шёсткопластическое тело Сен-Венана.

Для одномерных задач служат след. реологич. (механич.) модели: упругийэлемент (рис. 1,а) в виде дружины, к-рый отображает упругие свойства; жидкостныйэлемент (рис. 1, б; демпфер, гидравлич. амортизатор), характеризующий вязкиесвойства материала. Действующая на упругий элемент сила моделирует напряжениеи обозначается .Деформация пружины определяет деформацию рассматриваемого реального материалаи обозначается .Жёсткость пружины моделирует модуль упругости Е реального материала. <Связь между упругой деформацией и напряжением определяется законом Гука:. Ньютоновская жидкость характеризуется соотношением (см. Ньютона закон трения),

На рис. 1, в представлена модель жёсткопластич. тела Сен-Венана, <изображаемая в виде узла сухого трения. Элементы этого узла (на рис.- вертикальныечёрточки) смещаются один относительно другого, передавая пост. силу ,независимую от скорости. Если приложенное напряжение , смещения нет. Т. о., для тела Сен-Венана деформации е и скорости деформаций равны нулю, пока напряжения а меньше предела текучести .При начинаетсядеформирование,и при этомстановятся отличными от нуля. Т. о., элемент сухого трения (рис. 1, е )моделирует предел текучести.

Рис. 2. Механическая модель Фойгта, состоящая из параллельно соединённыхпружины Е и поршня в цилиндре ,заполненном вязкой жидкостью.

Рис. 3. Модель Максвелла с последовательным соединением пружины ипоршня в цилиндре.

Приведённые элементарные модели обычно рассматриваются в Р. как составныечасти более сложных механич. моделей, отображающих реологич. поведениематериала. Для того чтобы построить такие модели, эти элементы соединяютпараллельно или последовательно. Так, двухэлементная модель Фойгта (рис.2) качественно описывает явление упругого последействия, при к-ром деформацияразвивается с запаздыванием по отношению к приложенному напряжению. МодельМаксвелла (рис. 3) удобна для качественного описания процессов релаксациинапряжений. Обе эти модели линейны в том смысле, что для них удовлетворяетсяпринцип суперпозиции, но они не обладают достаточной общностью, чтобы определитьвлияние предыстории состояния на поведение тела, т. е. не описывают явлениепамяти.

Для более точного описания наследств. свойств линейных материалов применяютболее сложные модели. Вязко-упругое тело - твёрдое тело, проявляющее запаздывающуюупругость, можно описывать моделью Кельвина (рис. 4); при деформированиитакого тела часть энергии необратимо рассеивается в виде теплоты. Вязкопластичноетело, к-рое не деформируется при напряжениях, меньших нек-рого критич. <значения, а при больших - течёт как вязкая жидкость, описывается модельюБ и н г а м а (рис. 5), представляющей собой параллельное соединение элементовНьютона и Сен-Венана.

Рис. 4. Модель Кельвина: последовательное соединение элементов Гукаи Фойгта.

Рис. 5. Модель Бингама: параллельное соединение жидкостного элемента(поршень в цилиндре) и тела Сен-Венана.

Течение вязкопластич. тела описывается ур-ниями ,, если ,и , если

С проблемами Р. приходится встречаться при разработке технологии разнообразныхпроизводств. процессов, при проектных работах и конструкторских расчётах, <относящихся к разл. материалам (особенно при высоких темп-pax): полимерам, композиционным материалам, бетонам, силикатам, пищевым продуктами др. Методы Р. стали применяться для целей оперативного управления технологич. <процессами. При этом осуществляется непрерывное или периодич. измерениеодного пли неск. реологич. свойств сырья и (или) продукта по заданной программе, <иногда с применением ЭВМ; с использованием обратной связи проводится корректированиев заданных пределах параметров сырья, процесса или дозирование поступающихингредиентов.

Определяющие соотношения гидродинамики имеют ограниченное применениев Р., поскольку реальные среды обладают аномалией вязкости (напр., вязкостьзависит от давления и темп-ры среды, скорости её течения). Проявляетсятакже зависимость напряжённо-деформированного состояния среды в данныймомент времени от всей предыстории напряжений (или деформаций). Предметомизучения Р. выступают такие явления, приводящие к аномалии вязкости, какт и к с о т р о п и я - способность нек-рых дисперсных систем (напр., коагуляц. <структур) обратимо разжижаться при достаточно интенсивных механич. воздействиях(перемешивании, встряхивании) и отвердевать (терять текучесть) при пребываниив покое; реопексия - ускорение нарастания прочности и структурированиядисперсных систем при приложении небольших напряжений и деформированиис небольшой скоростью; дилатансия (у концентрированных дисперсных системтипа паст) - возрастание эффективного коэф. вязкости (где -касат. напряжение,- скорость деформации сдвига) с увеличением скорости деформирования, сопровождающеесянек-рым увеличением объёма, занимаемого системой (твёрдые частицы при деформированииобразуют более рыхлый каркас, и имеющейся жидкой среды оказывается недостаточно, <для того чтобы обеспечить системе подвижность).

Экспериментальная Р. (реометрия) определяет разл. реологич. свойствавеществ с помощью спец. приборов и испытат. машин. Микрореология исследуетдеформации и течение в микрообъёмах, напр. в объёмах, соизмеримых с размерамичастиц дисперсной фазы в дисперсных системах или с размерами атомов и молекул. <Биореология изучает течение разнообразных биол. жидкостей (напр., крови, <синовиальной и плевральной жидкостей), деформации разл. тканей (мышц, костей, <кровеносных сосудов) у человека и животных. Изучение взаимодействия реологич. <течений с электрич. и магн. полями, к-рые могут воздействовать напотоки как активно, так и путём их влияния на реология, характеристикивещества, составляет предмет электрореологии и магнитореологии.

Лит.: Реология, пер. с англ., М., 1962; Р е й н е р М., Реология, <пер. с англ., М., 196D; Л о д ж А. С., Эластичные жидкости. Введение вреологию конечнодеформируемых полимеров, пер. с англ., М., 1969; ВиноградовГ. <В., Малкин А. Я., Реология полимеров, М., 1977; Ш у л ь м а н 3. П.,Кордонский В. И., Магнитореологический эффект, Минск, 1982; Г о т л и бЮ. Я., Д а р и н с к и и А. А., Светлов Ю. Е., Физическая кинетика макромолекул, <Л., 1986. Н. И. Малинин.