Реология — наука о деформации и текучести веществ¶
Реология (от др.-греч. ῥέο — «теку» и λόγος — «учение») — наука о деформации и течении веществ, изучающая механическое поведение материалов, свойства которых не сводятся к упругому или идеально-вязкому поведению. В отличие от классической механики сплошных сред, реология рассматривает вещества, обладающие одновременно свойствами твёрдого тела и жидкости, а также зависящие от скорости деформации, времени и температуры.
¶История
Термин «реология» был предложен в 1929 году американским физиком Эвелином Бингемом, работавшим в Университете Лихай (штат Пенсильвания, США). Бингем исследовал поведение паст и суспензий и ввёл новый термин для обозначения науки о течении веществ. Однако первые работы по изучению текучести относятся к более раннему периоду: в 1867 году Джеймс Клерк Максвелл предложил математическую модель вязкоупругости (модель Максвелла), описывающую одновременное проявление свойств идеальной жидкости и упругого тела.
В России реология развивалась в трудах А. Ф. Лебедева, В. В. Лаврентьева, М. П. Воларовича и других учёных. В 1930-е годы Воларович и его сотрудники начали систематические исследования реологических свойств дисперсных систем, что заложило основы отечественной школы реологии.
¶Предмет изучения
Реология изучает вещества, реологическое поведение которых не укладывается в рамки классических моделей Гука (идеально упругое тело) и Ньютона (идеальная вязкая жидкость). К таким веществам относятся:
- полимерные расплавы и растворы;
- биологические жидкости (кровь, синовиальная жидкость, слюна);
- пищевые продукты (майонез, кетчуп, маргарин, тесто);
- строительные материалы (бетонные смеси, цементные пасты, асфальтобетон);
- грунты и горные породы;
- лёд и снег;
- косметические и фармацевтические препараты.
¶Основные понятия
¶Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Жидкость называется ньютоновской, если напряжение сдвига пропорционально скорости деформации, а коэффициент вязкости не зависит от скорости течения. Вода, минеральные масла и ряд простых жидкостей относятся к ньютоновским. Неньютоновскими являются вещества, вязкость которых меняется в зависимости от скорости деформации, времени действия нагрузки или предыстории деформации.
¶Типы неньютоновского поведения
| Тип поведения | Описание | Примеры |
|---|---|---|
| Псевдопластичность (тонение) | Вязкость снижается с ростом скорости деформации | Кровь, лакокрасочные материалы, полимерные растворы |
| Дилатантность (набухание) | Вязкость растёт с увеличением скорости деформации | Концентрированные суспензии, смесь крахмала с водой |
| Бингамовская текучесть | Существует предельное напряжение сдвига, ниже которого вещество ведёт себя как твёрдое тело | Тюбиковая краска, зубная паста, шоколад |
| Релаксация напряжений | Напряжение убывает при постоянной деформации | Полимеры, вязкоупругие материалы |
| Ползучесть (крейп) | Деформация нарастает при постоянном напряжении | Лёд, бетон, полимеры |
¶Вязкоупругость
Вязкоупругие вещества проявляют одновременно упругие и вязкие свойства. Наиболее распространённые математические модели вязкоупругости — модель Максвелла (последовательное соединение пружины и демпфера) и модель Кельвина — Фойгта (параллельное соединение тех же элементов). Эти модели используются для описания механического поведения полимеров, биологических тканей и других материалов.
¶Методы исследования
Реологические свойства изучаются с помощью реометров — приборов, измеряющих напряжение и деформацию при контролируемых условиях. Основные типы реометров:
- Конус-плита — тонкий конус вращается над плоской плитой, обеспечивая равномерное поле деформации;
- Параллельные диски — два параллельных диска, один из которых вращается;
- Капиллярные вискозиметры — измеряют давление и расход жидкости в капилляре.
Помимо статических испытаний, применяются динамические методы, при которых на образец воздействуют колебательными деформациями и измеряют комплексный модуль упругости, состоящий из упругой (реальной) и вязкой (мнимой) составляющих.
¶Применение
Реология находит широкое применение в различных отраслях:
- Нефтегазовая промысловая технология — расчёт закачки буровых растворов, кислотных составов и полимерных систем в пласт;
- Полимерная промышленность — переработка пластмасс (экструзия, литьё под давлением), подбор рецептур;
- Пищевая промышленность — разработка технологий производства соусов, мороженого, шоколада, хлебобулочных изделий;
- Строительство — проектирование бетонных смесей, асфальтобетонных покрытий;
- Медицина и фармация — создание препаратов с заданной текучестью, изучение реологических свойств крови при различных заболеваниях.
¶Связь с другими науками
Реология находится на пересечении механики сплошных сред, физической химии, полимерной физики и биомеханики. Развитие реологии стимулировано потребностями полимерной промышленности, возникшей в середине XX века, а также необходимостью описания сложного поведения природных и искусственных материалов.
¶Источники
- Бингем Э. Флюиды и пластичность. — М.—Л.: ОНТИ, 1933.
- Воларович М. П., Штремберг Д. Е. Реология высокодисперсных систем. — М.: Наука, 1968.
- Бернштейн В. Л. Текучесть полимеров. — М.: Госхимиздат, 1961.
- Мак-Коннелл А. Дженкинс. Реология. — М.: Мир, 1974.
- Дерябин А. С. Реология в строительстве. — М.: Стройиздат.