Научные основы реологии
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
"Национальный
исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Димитровградский
инженерно-технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ
РЕФЕРАТ
Научные
основы реологии
Выполнила:
студ. Гр. ХТ-31 Пустобаева Н.О.
Оглавление
Введение
1. Научные основы реологии
. Реологические процессы
. Реологические модели
4. Модель
Бингама
5. Эффект Вайсенберга и эффект Томаса
Заключение
Список литературы
Введение
Реология (от греч. ρέω - теку и λογος
- учение) - наука о
текучести и деформации сплошных сред (например, обычных вязких жидкостей и
жидкостей аномальной вязкости, суспензий и др.)
Термин "реология" ввел американский ученый Юджин Бингам,
которому принадлежат важные исследования реологических жидкостей и дисперсных
систем. Официально термин "реология" принят на 3-м симпозиуме по
пластичности (1929, США), однако, отдельные положения реологии как науки были
установлены задолго до этого.
1. Научные
основы реологии
В основе реологии лежат основные законы гидромеханики и теории упругости
и пластичности (в т. ч. закон Ньютона для вязкого трения в жидкостях, уравнения
Навье-Стокса для движения несжимаемой вязкой жидкости, закон Гука о
сопротивлении деформированию упругого тела и др.).
Реология может рассматриваться как часть механики сплошных сред. Основная
задача реологии - установить зависимость между механическими напряжениями,
возникающими в теле, и вызванными ими деформациями и их изменениями во времени.
По предположению об однородности и целостности материала решают краевые задачи
деформирования и течения твердых и жидких тел. Основное внимание обращается на
сложное реологическое поведение вещества (например, когда одновременно
проявляются свойства вязкости и упругости или вязкости и пластичности и т.д.).
2. Реологические
процессы
Типичный реологический процесс - это сравнительно медленное течение
вещества, в котором обнаруживаются упругие, пластические или высокоэластические
свойства. Реологические явления проявляются во многих природных процессах и в
большом числе технологических. Очень многочисленны вещества, участвующие в
таких процессах: это породы, составляющие земную кору, магма, вулканическая
лава, это нефть и глинистые растворы, играющие важнейшую роль в добыче нефти;
влажная глина, цементная паста, бетон и асфальтобетон (смесь асфальта и песка,
которой покрывают тротуар), это масляные краски - смесь масла и частиц
пигмента; это растворы и расплавы полимеров в процессе изготовления нитей,
пленок, труб путем экструзии; наконец, это - хлебное тесто и тестообразные
массы, из которых изготовляют конфеты, сосиски, кремы, мази, зубные пасты, это
твердое топливо для ракет; это, наконец, белковые тела, например, мышечные
ткани. В этот не полный перечень "реологических" сред входят как
тела, которые естественно считать твердыми (бетон), так и жидкие - нефть.
Можно провести опыт с высокомолекулярным раствором полиэтиленоксида в
воде. Если, наклонив стакан А, начать переливать из него раствор в нижний
стакан Б (рис. 1), а потом аккуратно вернуть стакан А на место, то окажется,
что тонкая струйка раствора продолжает перетекать из верхнего стакана в нижний:
интересно, что эта струйка сначала поднимается вверх по вертикальной стенке
стакана А, а затем, переливается через край и стекает вниз, в стакан Б - это
своеобразный сифон, но без сифонной трубки.
Совсем простой опыт невольно ставит тот, кто испачкал пальцы смолой,
резиновым клеем или густым сахарным сиропом: попытка разлепить пальцы приводит
к образованию упругих нитей, которые вытягиваются из текучей среды. Именно так
образуется паутина и шелковая нить.
Реология позволяет понять, что при быстрых воздействиях все тела ведут
себя как твердые, при медленных - текут. Но понятия "быстрый" и
"медленный" для разных сред различны. Удар о воду на скорости 200
км/час мало чем отличается от удара об асфальт - вода ведет себя как твердое
тело (ее текучесть не успевает проявиться). Железобетонный столб, косо
прислоненный к стене, через месяц оказывается кривым - бетон течет; струны на
гитаре, оставленные в натянутом состоянии, снижают тон - в результате
медленного течения материала их длина чуть-чуть увеличилась, соответственно,
уменьшилось натяжение - их приходится подтягивать. Горные породы за
геологические периоды сминаются в складки - образуются горные системы. Без
вычислений ясно, что диапазон времен в реологических явлениях простирается от
долей секунды до миллионов лет.
Итак, механические свойства разных реологических сред, во-первых, весьма
разнообразны, и, во-вторых, оказываются существенно различными в зависимости от
условий нагружения.
Очень многие реологические среды являются дисперсными системами двух или
трех фаз: это мелкие твердые частицы, распределенные в вязкой жидкости
(суспензия или гель, если твердая фаза преобладает), или это мелкие капельки
одной жидкости в другой - эмульсия, или пузырьки воздуха в жидкости (пена), и
т.д. Но, тем не менее, реология рассматривает такую среду как однородную, но
обнаруживающую такие же механические свойства, как и те, что установлены в
опытах с реальным конкретным материалом. Этот подход, характерный для механики
сплошных сред, позволяет избежать трудностей, связанных с изучением механизмов
взаимодействия фаз, и сравнительно просто описать основные черты поведения
реологических сред при воздействии на них заданных нагрузок. Такие теории
называются феноменологическими.
3. Реологические
модели
Напряженно-деформированное состояние тела в общем случае является
трехмерным и описать его свойства с использованием простых моделей нереально.
Однако в тех редких случаях, когда деформируются одноосные тела, поведение
материала наглядно и просто можно смоделировать простейшими структурными
элементами. Реологическими моделями пользуются также при изучении механических
свойств полимеров, внутреннего трения в твердых телах и других свойств реальных
тел.
При описании реологических поведения материалов пользуются механическими
моделями, для которых записывают дифференциальные или интегральные уравнения,
куда входят различные комбинации упругих, вязких и пластических характеристик.
Основными являются три элемента:
· упругий (винтовая пружина) - упругое тело Гука (H);
· вязкий (гидравлический амортизатор) - вязкая жидкость Ньютона
(N);
· пластичный (пластинка с сухим трением на фрикционной
подложке) - жесткопластичное тело Сен-Венана (StV).
<#"822002.files/image003.gif"> <#"822002.files/image004.gif"> <#"822002.files/image005.gif"> <#"822002.files/image006.gif"> <#"822002.files/image007.gif"> <#"822002.files/image008.gif"> <#"822002.files/image009.gif">
Рисунок 9 - Модель Бингама.
реологический вайсенберг томас деформация
Считается, что реология началась именно с этой модели, не укладывающейся
в рамки взаимодействия классических сред - упругого тела и вязкой жидкости.
Среда Бингама была введена для описания поведения свежей масляной краски, когда
было установлено, что она является пластическим твердым телом, а не вязкой
жидкостью.
5. Эффект
Вайсенберга и эффект Томаса
Реологические модели, получаемые путем комбинирования основных элементов
(упругость, вязкость, трение) качественно описывают поведение под нагрузкой
реальных сред, при этом наблюдаются значительные количественные отклонения. Но
известны эффекты, для описания которых в настоящее время еще не создана
удовлетворительная теория.
В первую очередь, это так называемый эффект Вайсенберга. Он проявляется в
следующем опыте.
Пусть есть два одинаковых стакана - один с ньютоновской вязкой жидкостью,
например, с растительным маслом, другой - с концентрированным раствором
высокополимерного вещества (например, сладкого сгущенного молока); оба стакана
приводятся во вращение вокруг своих осей. Сверху в стаканы опущены неподвижные
круглые стержни. В стакане с маслом видна ожидаемая картина - жидкость
принимает форму тела вращения с параболической поверхностью, вертикальная
координата которой возрастает с удалением от центра. Но в другом стакане
жидкость начнет медленно подниматься по центральному неподвижному стержню, в
результате чего уровень поверхности у оси оказывается выше, чем у краев.
Рисунок 10 - Эффект Вайсенберга.
Не менее интересен и "эффект Томса". В 1940-х многие
исследователи замечали, что течение жидкости по трубопроводу сильно облегчается
(снижается гидравлическое сопротивление), если в низкомолекулярную жидкость
добавить очень малое (доли процента) количество растворимого полимера.
Оказалось, что можно достигнуть четырехкратного снижения гидравлического
сопротивления воды в трубе, добавляя несколько миллионных долей (по весу)
подходящего высокомолекулярного вещества. Этот эффект используется в некоторых
нефтепроводах, пожарных шлангах; есть исследования по снижению кровяного
давления у животных.
Заключение
С проблемами реологии приходится сталкиваться при разработке технологий
различных производственных процессов, при проектных работах и конструкторских
расчетах для учета поведения различных материалов (особенно при высоких
температурах): полимеров, композиционных материалов, бетонов, силикатов,
пищевых продуктов и др.
Методы реологии стали применяться для целей оперативного управления
технологическими процессами. При этом осуществляется непрерывное или
периодическое определение одной или нескольких реологических свойств сырья и
(или) продукта по заданной программе и с использованием обратной связи
проводится корректировка до заданных пределов параметров сырья, процесса или
дозировку входящих ингредиентов.
Методы реологии используют в металлургическом и полимерном производстве,
горном деле, при гидравлическом транспортировании и др. отраслях.
Список
литературы
· Рейнер М. реологии. Пер. с англ. М.: Наука, 1965. -
224 с.
· Шульман 3. П. Беседы о реофизике. Минск: Наука и
техника, 1976. - 96с.
· Виноградов Г. В. реологии полимеров. М.: Химия, 1977.
- 440c.