Открыть сервисСервис

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 поведенияОписаниеПримеры
Псевдопластичность (тонение)Вязкость снижается с ростом скорости деформацииКровь, лакокрасочные материалы, полимерные растворы
Дилатантность (набухание)Вязкость растёт с увеличением скорости деформацииКонцентрированные суспензии, смесь крахмала с водой
Бингамовская текучестьСуществует предельное напряжение сдвига, ниже которого вещество ведёт себя как твёрдое телоТюбиковая краска, зубная паста, шоколад
Релаксация напряженийНапряжение убывает при постоянной деформацииПолимеры, вязкоупругие материалы
Ползучесть (крейп)Деформация нарастает при постоянном напряженииЛёд, 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.
Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru