Klasyfikacja surowców. Podstawowe wielkości fizyczne. Idealne prawa reologii

Badanie zachowania deformacji i przepływu rzeczywistych ośrodków ciekłych doprowadziło do odkrycia szeregu zjawisk, które nie są właściwe płynom newtonowskim.

Płyny nienewtonowskie charakteryzują się zmianą lepkości wraz ze zmianą szybkości ścinania (wpływ anomalii lepkości), zjawiskiem tiksotropii, relaksacji, reopekcji, wysoce elastycznymi i elastycznymi rodzajami odkształceń, występowaniem normalne napięcia, istnienie ostatecznych naprężeń ścinających itp.

Manifestacja pewnych anomalii podczas aplikacji
do cieczy sił zewnętrznych zależy przede wszystkim od jej fizycznej natury, jej struktury, a także od czynników zewnętrznych.

Należy zauważyć, że płyn newtonowski odpowiada tylko wąskiemu specjalnemu przypadkowi.

W naturze iw przemyśle występują głównie płyny nienewtonowskie (ośrodki reologiczne). Na przykład produkty przemysłu farmaceutycznego, spożywczego, farb i lakierów oraz papieru; produkty naftowe i płyny wiertnicze; materiały polimerowe otrzymywane i przetwarzane w przemyśle chemicznym; wysokotemperaturowe płyny do wymiany ciepła na bazie polimerów i zawiesin; wysoce skoncentrowane paliwa rakietowe napełnione i mieszanki paliwowe w energetyce itp.

Pod względem właściwości mechanicznych ośrodki reologiczne zajmują pozycję pośrednią między idealnie lepkimi (newtonowskimi) płynami a idealnie elastycznymi ciałami goonicznymi. W materiale
pod wpływem sił zewnętrznych, w przypadek ogólny, rozwijać odwracalne
i nieodwracalne odkształcenia:

Tutaj - odkształcenie sprężyste, - odkształcenie lepkosprężyste, - odkształcenie płynięcia. Odkształcenia sprężyste i wysoce sprężyste są odwracalne, przepływy są nieodwracalne.

Odkształcenie sprężyste rozwija się w początkowym momencie przyłożenia obciążenia, prędkość jego propagacji jest równa prędkości dźwięku w danym ośrodku. Po zdjęciu obciążenia znika z tą samą prędkością. Odkształcenie wysokoelastyczne rozwija się w czasie, a tempo tego rozwoju w znacznym stopniu zależy od temperatury ośrodka. Wartość jest dziesiątki i setki razy większa. Odkształcenie wysokoelastyczne ma charakter relaksacyjny. W zależności od rodzaju i stanu skupienia materiału relacje ilościowe między rodzajami deformacji mogą być różne.

w odróżnieniu ciała stałe, ciecz nie ma zdolności do utrzymywania swojego kształtu, jest ruchliwa i płynie pod wpływem grawitacji.

W hydraulice uważa się, że płyny są mediami ciągłymi wypełnionymi masą w sposób ciągły.

Poniżej sugerowana jest klasyfikacja cieczy:

Dział hydrauliki zajmujący się badaniem deformacji płynów nienewtonowskich jest częścią reologii. Reologia bada mechaniczne zachowanie mediów - od płynów newtonowskich po ciała stałe podlegające prawu Hooke'a.

Ciecze gazowe... Pod działaniem grawitacji ciecze gazowe zajmują całą objętość naczynia bez interfejsu; ściśliwy, jednocześnie bardzo gorący, o niskiej lepkości. Mimo to przy niewielkich zmianach ciśnienia i temperatury (przy niewielkich zmianach objętości) gazy podlegają tym samym prawom ruchu, co ciecze kropelkowe. Znaczne zmiany głośności podczas ruchu gazu występują przy prędkościach zbliżonych do prędkości dźwięku. W przeciwieństwie do hydrauliki, aerodynamika bada ruch gazu przy niskich prędkościach, biorąc pod uwagę jego ściśliwość i dynamikę gazu, przy prędkościach zbliżonych do prędkości dźwięku i naddźwiękowych.

Krople płynów. Ciecze kropelkowe, prawie nieściśliwe, pod działaniem grawitacji zajmują objętość naczynia, mając interfejs. W pewnych warunkach, w przeciwieństwie do gazów, na powierzchni stałej tworzą się krople. Ciecze kropelkowe nie wytrzymują obciążeń rozciągających, nie odbierają obciążeń skupionych: siły (obciążenia) muszą być rozłożone na powierzchni. W hydraulice badane jest zachowanie płynów kropelkowych.

Doskonałe płyny. Idealne płyny absolutnie
są nieściśliwe, cząsteczki tego płynu mają nieograniczoną swobodę ruchu, dlatego nie występują siły tarcia wewnętrznego, tj. lepkość wynosi zero.

Prawdziwe płyny.

Płyn Newtona. W przypadku przepływu jednowymiarowego transfer pędu cząsteczkowego można przedstawić jako:

gdzie t jest naprężeniem ścinającym, m jest dynamiczną lepkością płynu i jest gradientem prędkości (szybkość ścinania). Zależność (2.2) to matematyczne sformułowanie prawa Newtona tarcia lepkościowego: „Styczne naprężenie tarcia wewnętrznego jest proporcjonalne do gradientu prędkości w kierunku prostopadłym do ruchu”. Płyny podlegające prawu Newtona nazywane są newtonowskimi.
W zależności od wyboru kierunku odniesienia wzdłuż normalnej, gradient prędkości może być dodatni lub ujemny. Znak w (2.2) jest przyjmowany tak, że naprężenie ścinające jest dodatnie. Dla płynów newtonowskich lepkość jest stała,
nie zależy od sytuacji hydrodynamicznej. Zmianę wartości lepkości można osiągnąć poprzez zmianę temperatury cieczy.

Głównie ciecze o niskiej masie cząsteczkowej podlegają prawu Newtona.

Nienormalnie lepkie ciecze. Płyny, których lepkość zależy od sytuacji hydrodynamicznej, nazywane są anomalnie lepkimi. Badania eksperymentalne pokazują, że zależność dla wielu rzeczywistych płynów jest nieliniowa, pokazując zmianę lepkości wraz z szybkością ścinania i historią płynu.

Stwierdzono, że dla płynów pseudoplastycznych (ryc. 2.1
i ryc. 2.2, krzywa 2 ) przy małych wartościach gradientu prędkości lepkość ma stałą wartość, wraz ze wzrostem zależność m od.

Ryż. 2.1. Rzeczywiste krzywe przepływu płynu:

1 - newtonowski; 2 - pseudoplastik; 3 - dylatacja
oraz 4 - medium lepko-plastikowe

Ryż. 2.2. Krzywe zmian lepkości (oznaczenia wg rys. 2.1)

Wartość m maleje wraz ze wzrostem do pewnej wartości krytycznej, po czym ma wartość stałą. Stąd,
Można ustawić 3 strefy:

- najwyższa lepkość newtonowska;

- zmienna (efektywna) lepkość;

- najmniejsza lepkość newtonowska.

Stwierdzono, że stosunek może osiągnąć duże wartości - .

Zaproponowano liczne zależności opisujące krzywą płynięcia płynów pseudoplastycznych. Najbardziej rozpowszechniona jest zależność empiryczna w postaci prawa władzy:

(2.3)

gdzie i są stałymi reologicznymi płynu. Zwykle tylko efektywna strefa lepkości jest opisana za pomocą prawa potęgowego.
Potem będzie:

(2.4)

W tym przypadku . Mimo swoich ograniczeń prawo energetyczne, dzięki swojej prostocie, znalazło szerokie zastosowanie w praktyce inżynierskiej.

Zależności opisujące wszystkie strefy krzywej płynięcia dają bardziej złożone równania prawa zachowania pędu, których zastosowanie powoduje duże trudności matematyczne.

Anomalia lepkości zawiesin zawierających asymetryczne cząstki tłumaczy się efektami orientacji. Zmniejsza się lepkość
dopóki pozostaje możliwość dalszej orientacji cząstek. Przy granicznej orientacji cząstek lepkość nie zmienia się. Początkowo dezorientujący efekt ruchu termicznego jest tego samego rzędu wielkości
z efektami orientacji, więc lepkość się nie zmienia. Efekty orientacji wyjaśniają anomalię lepkości stopów i roztworów polimerów, a także emulsji.

Anomalia lepkości polimerów jest również wyjaśniona procesami relaksacji.

Dla płynów dylatacyjnych (rys.2.1 i rys.2.2 krzywa 3 ) lepkość wzrasta wraz ze wzrostem gradientu prędkości. Aby opisać odkształcenia płynów dylatacyjnych, można wykorzystać zależność (2.3). Ale w tym przypadku.

Ciecze dylatacyjne to stężone zawiesiny i roztwory niektórych polimerów.

Wzrost lepkości związany jest ze wzrostem objętości (pęcznienia) zajmowanej przez fazę zdyspergowaną, podczas gdy zwiększa się objętość międzywarstw cieczy. W przypadku nowej struktury ośrodka dwufazowego ciecz nie wystarcza do smarowania ocierających się o siebie cząstek. Efekt ten objawia się zewnętrznie wzrostem lepkości zawiesiny.

Nienormalnie lepkie płyny, których właściwości reologiczne zależą od czasu. Wielu płynów rzeczywistych nie da się opisać równaniami typu (2.2) i (2.3). Istnieją materiały, w przypadku których związek jest zależny od czasu. W przypadku tych materiałów lepkość efektywna zależy nie tylko od gradientu prędkości, ale także od czasu trwania ścinania. Ciecze te, w zależności od tego, czy wartość lepkości efektywnej wzrasta czy maleje w czasie (at), dzieli się na tiksotropowe i reopektyczne.

Tiksotropia wiąże się z zniszczeniem wiązań wewnętrznych struktury cieczy. Szybkość niszczenia zależy od liczby wiązań przed zniszczeniem konstrukcji. Z biegiem czasu liczba obligacji maleje (spada). W pewnym momencie pojawia się równowaga dynamiczna - tempo niszczenia i tworzenia struktur będzie równe. Tiksotropia jest procesem odwracalnym.

W płynach reopektycznych tworzenie struktury następuje podczas ścinania. Na przykład 42% wodny roztwór gipsu. Po wstrząsaniu materiał ten twardnieje w spoczynku po 40 minutach, a przy wolnym wstrząsaniu po 20 sekundach.

Należy powiedzieć, że anomalia lepkości, jak również wszystkie inne cechy zachowania mechanicznego ośrodka reologicznego, są konsekwencją mechanizmu relaksacji odkształcenia i że wszystkie charakterystyki odkształcenia ośrodka można obliczyć, jeśli główna charakterystyka relaksacji ośrodka medium, jego spektrum relaksacji, jest znane.

Medium lepkoplastyczne. Medium lepkoplastyczne (rys.2.1, linia 4 ) charakteryzuje się ostatecznym naprężeniem ścinającym. Środek lepko-plastyczny zachowuje się jak ciało stałe przed naprężeniami.
Wraz z dalszym wzrostem t rozpoczyna się lepki (newtonowski) przepływ.

Takie zachowanie płynów tłumaczy się tym, że są one w stanie
do tworzenia struktur przestrzennych; konstrukcja jest zachowana przed naprężeniami, a później zapada się. Po zdjęciu ładunku
w pozycji statycznej przywracana jest struktura przestrzenna otoczenia. Równanie reologiczne ośrodka lepko-plastycznego to:

(2.5)

gdzie m jest współczynnikiem lepkości plastycznej.

Porównując zależności (2.2) i (2.5), wprowadzamy pojęcie lepkości pozornej:

(2.6)

Ze względu na charakter przepływu płyny lepko-plastyczne obejmują płuczki wiertnicze, zwierciny, farby olejne, smary, pasty itp.

Zdarzają się przypadki, gdy proces przepływu charakteryzuje się
z anomalią lepkości (ryc. 2.1, linia przerywana). Dla takich mediów równanie reologiczne ma postać:

(2.7)

W mediach lepko-plastycznych realizowane są dwa rodzaje deformacji - sprężysty i lepki przepływ.

Płyn wiskoelastyczny. Eksponaty płynów lepkosprężystych
zarówno elastyczna zmiana kształtu, jak i lepki przepływ. Lepkosprężyste od lepkich płynów różnią się również obecnością odwracalnej deformacji, mają pamięć.

Bieżąca strona: 18 (w sumie książka ma 19 stron) [dostępny fragment do czytania: 13 stron]

111. Właściwości reologiczne układów swobodnych zdyspergowanych

Głównymi czynnikami determinującymi strukturę i właściwości reologiczne układu zdyspergowanego są stężenie cząstek φ (ułamek objętościowy) i potencjał wzajemnego oddziaływania par cząstek. Układy dyspersyjne z rozrzedzonym kruszywem, w których zatrzymują się cząstki całkowita wolność wzajemne przemieszczenie lub brak określonej struktury, są newtonowskie, ich lepkość oblicza się ze wzoru Równanie Einsteina:

η = η 0 (1 + αφ ).

gdzie η 0 - lepkość medium; α - współczynnik równy 2,5 dla cząstek kulistych z ich swobodną rotacją w przepływie.

Właściwości reologiczne układy swobodnie zdyspergowane: lepkość, elastyczność, plastyczność.

Naprężenie ścinające wytworzone przez siłę zewnętrzną F T całkowicie eliminuje tarcie między warstwami cieczy i jest proporcjonalne do szybkości ścinania Czy prawo Newtona:

T = ηγ

Ilość η = m / γ (lepkość) w pełni charakteryzuje właściwości reologiczne płynu w reżimie przepływu laminarnego.

Ciała lepkie różnią się od plastikowych tym, że płyną przy każdym naprężeniu. Opisano przepływ ciał idealnie lepkich Równanie Newtona:

gdzie F- siła oporu lepkości; h- współczynnik tarcia; ty- przepływ liniowy; NS Czy współrzędna jest normalna do strumienia.

Bardziej ogólne jest wyrażenie tego prawa w kategoriach odkształcenia ścinającego. W elastycznym ciele działanie siły zewnętrznej T jest magazynowana w postaci energii potencjalnej odkształcenia sprężystego, a w lepkim ośrodku jest całkowicie zamieniana na ciepło. Część energii jest rozpraszana, co oznacza, że ​​materiał tworzy również lepką odporność na odkształcenia. Takie materiały nazywają się lepkosprężysty... Ważną cechą reologiczną ośrodka lepkosprężystego jest czas relaksacji odkształceń sprężystych (czas powrotu). Oprócz sił lepkich i odporność elastyczna deformacji, wiele materiałów ma wrodzoną zdolność do wytrzymywania podobnej do siły tarcia zewnętrznego (statycznego). W materiałach dyspersyjnych i polimerowych podobna siła występuje jednocześnie z oporem lepkościowym, opór całkowity opisuje równanie:

T = T c + ηγ .

Ilość η * = (t - t z) / γ nazywa się lepkością plastyczną, a materiał jest plastikiem. Charakteryzuje się w pełni dwiema stałymi reologicznymi: T z I η *. Ilość T s nazywa się ostatecznym naprężeniem ścinającym (granicą plastyczności). Zachowanie się tworzywa sztucznego można opisać prawem Newtona, gdzie η - zmienna lub prawo Shvedova-Binghama z dwiema stałymi ( T z I η *). Lepkość, według Newtona, uwzględnia wszystkie opory, w zależności od szybkości odkształcenia. Lepkość plastyczna uwzględnia tylko część odporności.

Ciecze i ciała plastyczno-lepkie, których siła tarcia nie jest zgodna z prawem Newtona, nazywane są nienewtonowskimi(nieprawidłowe) płyny. Niektóre z nich nazywane są płynami Binghama. Plastyczność jest najprostszym (matematycznie) przejawem własności nienewtonowskich. Przejście od pełzania do plastycznego i dalej do płynięcia newtonowskiego następuje stopniowo. Najczęściej największy zakres szybkości ścinania (od γ 1 do γ 2) spada na odcinek przepływu plastycznego. To determinuje Praktyczne znaczenie Prawo Shvedova-Binghama i stałe reologiczne η * oraz T z.

112. Właściwości reologiczne kohezyjnych układów zdyspergowanych. Równanie Binghama

Główną metodą reologii jest uwzględnienie substancji mechanicznych na pewnych modelach, których zachowanie można opisać niewielką liczbą parametrów, w najprostszych przypadkach reologię można określić tylko jednym parametrem.

Elastyczne zachowanie- proces, który można scharakteryzować przez proporcjonalność naprężeń i odkształceń, czyli rodzaj liniowej zależności między τ oraz γ ... Ta zależność jest wyrażona Prawo Hooke'a :

τ = Gγ,

gdzie g- moduł sprężystości chłopiec okrętowy.

Jeśli zostanie zobrazowany graficznie, to zgodnie z prawem Hooke'a zależność między naprężeniem ścinającym a przemieszczeniem można wyrazić jako liniową zależność cotangensa kąta nachylenia do tej prostej będzie modułem sprężystości Younga.

Po usunięciu obciążenia następuje natychmiastowe przywrócenie początkowych parametrów ciała, nie ma rozpraszania energii podczas procesów załadunku i rozładunku ciała. Proces zachowania sprężystego może być charakterystyczny tylko dla ciał sztywnych.

Charakter tego zjawiska może leżeć w odwracalności małych odkształceń. Moduł sprężystości może zależeć od charakteru oddziaływania w ciele stałym i jest bardzo duży. Ciało może dążyć do regeneracji dzięki ruchowi ciepła, który zaburza tę orientację.

Moduł sprężystości zależy również od temperatury i może być niski. Odkształcenie sprężyste dla ciał stałych można określić, może wystąpić do pewnej wartości, powyżej której ciało ulega zniszczeniu. Ten rodzaj naprężeń dla ciał kruchych charakteryzuje wytrzymałość.

Lepkie zachowanie(lub lepki przepływ), który można scharakteryzować proporcjonalnością naprężeń i szybkością procesów deformacji, nazywa się prawem Newtona:

T = ηγ 1 ,

gdzie T- naprężenie ścinające; h- lepkość.

Po ustaniu wpływu naprężenia ścinającego nie można już przywrócić poprzedniego kształtu ciała. Takiemu lepkiemu przepływowi może towarzyszyć rozpraszanie energii, czyli energii rozpraszanej w objętości ciała. Przepływ lepki wiąże się z przenoszeniem masy podczas wymiany miejsc między atomami lub cząsteczkami podczas ich ruchu termicznego.

Przyłożone napięcie potencjalne może obniżyć barierę energetyczną dla ruchu cząstki w jednym kierunku i zwiększyć lub zmniejszyć w drugim. Można założyć, że proces lepkiego płynięcia jest procesem aktywowanym temperaturą, a lepkość będzie zależeć wykładniczo od temperatury.

Plastikowy może reprezentować zachowanie nieliniowe. Przy tym zjawisku nie ma zależności i proporcjonalności między różnymi wpływami, wieloma rodzajami deformacji. Plastyczność to połączenie procesów dyslokacji oraz zerwania i przegrupowania wiązań między atomami. Po odprężeniu plastikowy korpus zachowuje dowolny kształt nadany mu w procesie.

Równanie Binghama:

Szybkość odkształcenia, opisana równaniem Binghama, musi być proporcjonalna do różnicy zarówno efektywnego naprężenia, jak i ostatecznego naprężenia ścinającego. Ponadto równanie opiera się na połączeniu dwóch najprostszych elementów reologii - równoległego połączenia lepkiego i kulombowskiego elementu tarcia suchego.

113. Reologiczna metoda badania układów rozproszonych. Podstawowe pojęcia i idealne prawa reologii

Reologia- kompleks wiedzy i pojęć, które formułują prawa i reguły pozwalające określić zachowanie ciał stałych i cieczopodobnych. Główną metodą stosowaną przez reologię jest uwzględnienie właściwości mechanicznych materiałów na niektórych modelach, które są opisane niewielką liczbą parametrów.

Elastyczna deformacja opisane przez prawo Hooke'a:

τ = Gγ,

gdzie T- naprężenie ścinające; g- moduł ścinania (n / m 2); γ - względne odkształcenie ścinania.

Natura sprężystości każdego ciała polega na odwracalności małych odkształceń, wiązań między atomami. Moduł sprężystości może być określony przez charakter oddziaływań w ciele stałym i jest praktycznie niezależny od wzrostu temperatury. Moduł sprężystości można traktować jako rodzaj podwojonej wartości energii sprężystości, która jest magazynowana przez jednostkę objętości w pojedynczym odkształceniu. Odkształcenie sprężyste ciała może wystąpić do pewnej wartości granicznej, po czym następuje zniszczenie ciał bardziej kruchych.

Wytrzymałość- właściwość materiału do opierania się wpływom zewnętrznym pod wpływem naprężeń zewnętrznych.

Lepkość opisane przez prawo Newtona:

T = ηγ ,

gdzie h- lepkość (n/m 2) - parametr, który charakteryzuje się proporcjonalnym naprężeniem i szybkością odkształcenia, może również zależeć od szybkości ścinania.

Lepkości materiałów polimerowych może towarzyszyć rozpraszanie energii, tj. stan, w którym całą uwolnioną energię można przekształcić w ciepło. Lepkość jest procesem aktywowanym termicznie, a lepkość ma wykładniczy związek z temperaturą.

Plastikowy jest elementem nieliniowym, brakuje między wpływami a różnymi odkształceniami. Plastyczność materiału będzie determinowana przez procesy zrywania i przegrupowania wiązań międzyatomowych, dla których możliwa jest dyslokacja.

Stres wewnętrzny- równoległe połączenie elementu elastycznego i suchego tarcia.

Odkształcenie- względne przesunięcie w czasie niektórych punktów zdefiniowanego układu, w którym nie ma zmiany ciągłości materiału.

Odkształcenia plastyczne- deformacja, w której materiał się nie zapada.

Elastyczna deformacja- deformacja, w której następuje całkowite odzyskanie ciała po usunięciu pewnego obciążenia.

Modelowanie musi odbywać się przy użyciu różnych rzeczywistych modeli ciał. W podejściu modelowym na każdy element przypada pełne obciążenie i odpowiednio całkowite odkształcenie układu lub szybkość odkształcenia będzie sumą wszystkich rodzajów odkształceń działających na ciało i prędkości wszystkich elementów, które tworzą układ ruszaj się. Jeśli weźmiemy pod uwagę równoległe połączenie elementów odkształcenia i prędkości, będą one takie same dla wszystkich elementów, a całe pozostałe obciążenie układu będzie sumą obciążeń wszystkich elementów razem wziętych. Jeśli zastosujesz zasady deformacji szeregowej i równoległej, możesz po prostu użyć różnych modeli reologicznych. Jeśli rozszerzysz możliwości charakterystyki właściwości ilościowych dla ciał rzeczywistych, możesz użyć kilku idealnych modeli. Założono, że nie ma różnicy między właściwościami reologicznymi płynów rzeczywistych, jak i ciał stałych. Można to wytłumaczyć faktem, że układy te są skondensowanymi stanami materii.

114. Modele reologiczne

Istnieją trzy główne przypadki zachowania mechanicznego:

1) elastyczność;

2) lepkość;

3) plastyczność.

Łącząc te procesy i modele procesów reologicznych, można uzyskać bardziej złożone modele, które opisują właściwości reologiczne wielu różnych systemów.

We wszystkich przypadkach każda kombinacja będzie rozpatrywana w pewnym charakterystycznym dla tego zjawiska trybie deformacji, w którym właściwości modeli pojawią się w porównaniu z właściwościami jego elementów.

1. Model Maxwella- spójne połączenie elastyczności i lepkości. Spójne połączenie takich elementów może oznaczać, zgodnie z trzecim prawem Newtona, że ​​te same siły będą działać na dwie składowe części modelu (naprężenie ścinające τ ) i odkształcenie sprężyste ( γ G) i lepkość ( γ η ) można złożyć:

γ = γ g + γ ?,

gdzie g- ogólna deformacja.

W tym modelu można szybko odkształcić się do określonej wartości i utrzymać ją na stałym poziomie. Na duże wartości Z biegiem czasu ten typ systemu może być zbliżony właściwościami do cieczy, ale po przyłożeniu naprężenia ścinającego system może zachowywać się jak elastyczne ciało stałe.

2. Model kelwina- równoległe połączenie elastyczności i lepkości. W takim modelu odkształcenia obu elementów mogą być takie same, a naprężenia styczne będą sumowane. W warunkach ciągłego stresu model Kelvina zachowuje się inaczej. Lepki element nie może pozwolić na natychmiastową realizację odkształcenia elastycznego elementu. Wtedy ogólna deformacja może stopniowo się rozwijać z czasem:

Równanie to odpowiada stopniowo zmniejszającej się deformacji. Usunięcie naprężenia całkowitego następuje dzięki energii zgromadzonej przez element sprężysty, tutaj zachodzi proces odkształcenia korpusu sprężystego, a na elemencie lepkim następuje rozproszenie energii. Przykład takich modeli: tłumienie drgań, przede wszystkim mechaniczne w gumie.

3. Wprowadzenie do systemu elementu nieliniowego. Otrzymuje się model opisujący występowanie naprężeń wewnętrznych w równoległej kombinacji elementu sprężystego i tarcia suchego. Jeżeli przyłożone naprężenie w układzie przekroczy granicę plastyczności, to następuje odkształcenie, które może być spowodowane akumulacją energii elementu sprężystego.

4. Modelka Binghama- połączenie równoległe lepkiego elementu Newtona i suchego elementu ciernego Coulomba. Ponieważ elementy są takie same, to ich odkształcenia również będą takie same, a naprężenia będą się sumować. Ponadto naprężenie na elemencie Coulomba nie może przekroczyć granicznej wartości naprężenia ścinającego.

Z tego wynika, że ​​szybkość odkształcenia, opisana przez lepki element, powinna być proporcjonalna do różnicy między efektywnym naprężeniem a ostatecznym naprężeniem ścinającym.

Wraz z komplikacją modeli reologicznych aparat matematyczny do opisu deformacji staje się bardziej skomplikowany, dlatego starają się sprowadzić wszystkie rodzaje naprężeń do prostszych modeli. Jedną z metod ułatwiających takie zadania jest zastosowanie tzw. analogie elektromechaniczne, czyli uzyskiwanie modeli reologicznych z wykorzystaniem obwodów elektrycznych.

115. Klasyfikacja układów rozproszonych. Płyny newtonowskie i nienewtonowskie. Pseudoplastyczne, dylatacyjne płyny i ciała stałe

Wiadomo, że istnieje wiele rodzajów właściwości strukturalnych i mechanicznych, które są w stanie odzwierciedlić całą różnorodność ciał zarówno naturalnych, jak i syntetycznych. Wiele układów to fazy rozproszone, które z kolei mają wiele różnych kombinacji faz, różniących się charakterem i stanem skupienia oraz wielkością cząstek. Właściwości strukturalne i mechaniczne wielu systemów rozproszonych to ciągi i niekończące się serie, które obejmują zarówno stare, jak i pojawiające się nowe, biorąc pod uwagę system. Przeprowadzono badania w zakresie właściwości strukturalnych i mechanicznych PA Rebinder , którzy zaproponowali podział substancji na struktury krystalizujące kondensacyjnie i koagulujące. Tworzenie struktury skrystalizowanej przez kondensację może nastąpić podczas bezpośredniej interakcji chemicznej zarówno między cząstkami, jak i podczas ich koalescencji, tworząc sztywną strukturę o dużej objętości. Jeżeli cząstki uczestniczące w procesie są amorficzne, to struktury, które powstają w układach zdyspergowanych, nazywa się zwykle kondensacją, jeśli zaangażowane są kryształy, to powstające struktury ulegają krystalizacji. Struktury typu krystalizowanego przez kondensację mogą być charakterystyczne dla układów zdyspergowanych typu związanego, tj. układów ze stałym zdyspergowanym ośrodkiem. Zastosowanie takich struktur nadaje produktom wytrzymałość i kruchość, ale nie regenerują się one po zniszczeniu. Strukturami koagulacyjnymi mogą być te, które mogą powstawać tylko podczas koagulacji. Gdy takie struktury są tworzone, oddziaływanie między strukturami może zachodzić poprzez wszystkie warstwy fazy dyspersji i są to siły van der Waalsa, zastosowanie takich struktur nie może prowadzić do stabilności struktury. Właściwości mechaniczne takich struktur są determinowane nie tylko właściwościami cząstek tworzących układ, ale także zależą od charakteru wiązań i warstw pośrednich między mediami. Struktury typu koagulacyjnego mają medium płynne, dla takich systemów ważne jest odtworzenie systemu po jego zniszczeniu. W praktycznym zastosowaniu zarówno jeden, jak i inne materiały są charakterystyczne, co pozwala regulować skład i jednorodność materiału, a w procesie technologicznym regulowane są procesy formowania.

Systemy płynne dzielą się na dwa rodzaje:

1) newtonowski;

2) nienewtonowski.

newtonowski nazywane są układami, w których lepkość nie zależy od naprężeń wynikających ze ścinania i może być stała. Te płyny dzielą się na dwa rodzaje: stacjonarny(dla takich układów właściwości reologiczne nie zmieniają się w czasie), niestacjonarny, którego właściwości reologiczne są określone przez ramy czasowe.

Nienewtonowskie nazywane są systemami, które nie są związane z prawem Newtona, a lepkość w takich systemach zależy od naprężenia ścinającego.

Płyny dylatacyjne- systemy, w których występuje duża liczba faza stała, w nich chaotyczny ruch cząsteczek prowadzi do zmniejszenia lepkości z powodu nieuporządkowania. Wraz ze wzrostem obciążenia takich układów, gęste upakowanie cząstek może zostać naruszone, objętość układu może wzrosnąć, co doprowadzi do wzrostu lepkości w układzie.

Płyny pseudoplastyczne- układy charakteryzujące się spadkiem lepkości newtonowskiej wraz ze wzrostem szybkości deformacji całego ścinania.

116. Lepkość układów dyspersyjnych stabilnych z ciekłym kruszywem

Podstawy tej teorii położył A. Einstein, który badał rozcieńczone zawiesiny. A. Einstein zbadał równania hydrodynamiczne dla wszystkich sferycznych cząstek stałych, które mogą uzyskać dodatkowy ruch obrotowy. Zaistniałe w tym przypadku rozpraszanie było przyczyną wzrostu lepkości. A. Einstein wyprowadził równanie, które wiąże lepkość układu η i udział objętościowy fazy rozproszonej φ :

η = η 0 (1+ 2,5φ ).

Wyprowadzając równanie założono, że układ nie może być ściśnięty, nie ma ślizgania się między cząstkami a cieczą. Eksperymenty, które wielokrotnie przeprowadzał A. Einstein, potwierdziły jego przypuszczenia, stwierdził, że współczynnik będący parametrem frakcji fazy rozproszonej zależy tylko od kształtu cząstek.

Z teorii A. Einsteina można wywnioskować, że układy rozcieńczone i stabilne są płynami newtonowskimi, ich lepkość zależy liniowo od udziału objętościowego fazy rozproszonej i nie zależy od dyspersji. W przypadku niektórych cząstek parametr 2,5 jest zwykle wyższy. Wynika to z faktu, że obrót niesferycznej cząstki przekracza objętość samej cząstki. Taka cząstka ma wysoką odporność, co może zwiększyć lepkość układu. W przypadku wystąpienia znacznych odchyleń od kształtu kulistego układ może przekształcić się w płyn nienewtonowski, którego lepkość zależy od naprężenia ścinającego.

Równanie Einsteina nie uwzględnia obecności warstw powierzchniowych (adsorpcja, solwatacja) cząstek. Wzrost lepkości może wystąpić z powodu obecności takich warstw. Warstwy powierzchniowe nie zmieniają kształtu cząstek, ich wpływ uwzględniany jest wraz ze wzrostem udziału objętościowego fazy. Ponadto teorię tę uzupełnił G. Staudinger, który wykorzystał ją do opisania lepkości rozcieńczonych roztworów polimerów. Równanie Staudingera:

η uderzeń = KMc,

gdzie DO- stała charakterystyka polimeru; m- masa polimeru; z- stężenie masowe polimeru.

G. Staudinger zasugerował, że wraz z wydłużaniem się łańcucha polimeru zwiększa się jego objętość rotacji, a lepkość roztworu wzrasta przy tym samym stężeniu. Lepkość według równania nie zależy od stężenia roztworu polimeru i może być proporcjonalna do jego masy cząsteczkowej. Równanie wyprowadzone przez G. Staudingera służy do określenia masy cząsteczkowej polimeru. To równanie może być ważne tylko dla roztworów polimerów z krótkimi i sztywnymi łańcuchami, przy zachowaniu ich kształtu. Ale najczęściej używanym równaniem do określania masy polimeru jest Równanie Marka-Kuhna-Houwinka:

{η } = KM α ,

gdzie α jest cechą zdolną do odzwierciedlenia kształtu i gęstości makrocząsteczki, wartości tej wartości nie przekraczają jednego.

Z równania wynika, że ​​im wyższe naprężenie w układzie, tym bardziej rozwijają się cząsteczki polimeru i tym mniejsza staje się ich lepkość. Wynika to ze wzrostu stopnia dysocjacji materiałów polimerowych po rozcieńczeniu, co zwiększa wzrost ładunku cząsteczki i zwiększa jej objętość. W roztworach dowolnych polimerów oddziaływanie międzycząsteczkowe może prowadzić do gwałtownego wzrostu lepkości układu, jednocześnie lepkość można określić na podstawie efektywnej objętości cząstki, która jest na jednostkę masy polimeru. Dotyczy to wszystkich materiałów polimerowych, dla których można określić lepkość układu.

117. Pełna krzywa reologiczna układów zdyspergowanych o strukturze koagulacyjnej

Gwałtowna zmiana lepkości występuje w przypadku spoistych układów zdyspergowanych o strukturze koagulacyjnej. W tym kontekście wykorzystuje się całe spektrum wartości pomiędzy dwoma skrajnymi stanami systemu: z systemem niezniszczalnym lub całkowicie zniszczonym. Biorąc pod uwagę zastosowane naprężenia ścinające, właściwości reologiczne takich układów różnią się w bardzo szerokim zakresie, aż do płynów newtonowskich. Tę zależność właściwości reologicznych od koagulacji można przedstawić w postaci krzywej reologicznej.

Krzywa reologiczna to zależność odkształcenia końcowego od naprężenia ścinającego.

W badaniach właściwości relaksacyjnych stwierdzono, że przy niskich naprężeniach ścinających występuje efekt sprężysty, który jest związany ze wzajemną orientacją cząstek, charakteryzujących się ruchem termicznym. Wysokie wartości lepkość może być spowodowana przelewaniem się pożywki dyspersyjnej z komórek, które zmniejszają swój rozmiar, do sąsiednich komórek przez wąskie przejścia i podczas ślizgania się cząstek względem siebie.

Po osiągnięciu pewnej wartości granicznego naprężenia ścinającego może wystąpić obszar powolnego, ale lepkoplastycznego przepływu lub, jak to się powszechnie nazywa, pełzanie.

1. W tej sekcji następuje przesunięcie, które odbywa się podczas wahań i jest niszczone, ale można je przywrócić pod działaniem naprężeń przyłożonych z zewnątrz. W tym przypadku wszystkie cząstki są połączone w jedną strukturę koagulacyjną, która wibruje w zależności od ich położenia w stykach.

2. W tej części układ pełza, co można opisać modelem reologicznym przepływu lepkoplastycznego przy niskim końcowym naprężeniu ścinającym i wystarczająco wysokiej lepkości.

3. W trzecim odcinku krzywej tworzy się obszar przepływu silnie zniszczonej struktury. Tę witrynę można opisać za pomocą modelu Bingham.

4. Na tym etapie ujawniają się właściwości płynu newtonowskiego, którego lepkość jest zwiększona. Przy dalszym wzroście naprężeń może wystąpić odchylenie od równania Newtona, co związane jest ze zjawiskiem turbulencji.

Właściwości reologiczne systemu mogą ulec zmianie pod wpływem wibracji. Analizując krzywą reologiczną można stwierdzić, że nawet bardzo złożone mechaniczne zachowanie układu można podzielić na kilka prostych odcinków, które zostaną określone przez prosty model.

Aby osiągnąć równowagę między procesami niszczenia i przywracania styków, wymagana jest wystarczająco długa deformacja układu ze stałą szybkością, co nie zawsze jest możliwe w praktyce.

Ale jednocześnie zjawiska różniące się mechanizmem molekularnym, takie jak pełzanie i płynięcie lepkoplastyczne, można opisać tym samym modelem, ale z różne parametry... Właściwości reologiczne układów rozproszonych mogą się znacznie różnić pod wpływem pola wibracyjnego.

Wibracje mogą prowadzić do zniszczenia styków między cząstkami, co prowadzi do fluidyzacji układu przy bardzo małych naprężeniach ścinających. Krzywa reologiczna w nowoczesnej technologii wykorzystująca wibrowanie pozwala zobaczyć, jak można kontrolować różne właściwości układów zdyspergowanych, takich jak zawiesiny, różne pasty czy proszki.

Rozważmy najprostsze właściwości reologiczne - elastyczność, plastyczność i lepkość trzech tak zwanych ciał idealnych. W reologii idealne ciała są zwykle nazywane nazwiskami naukowców, którzy wprowadzili je po raz pierwszy)