ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предисловие автора-Введение в реологию из "Реология полимеров" Сейчас мы могли бы усомниться в правильности работы этих часов, потому что изменение высоты жидкости в коническом сосуде не прямо пропорционально времени. Однако, если изготовить копию древних часов и опробывать их в Египте, то Аменемхет окажется реабилитированным, потому что в Египте очень велик перепад между дневной и ночной температурами. Вязкость холодной воды выше, чем теплой, поэтому она медленнее вытекает из сосуда, именно конусность стенок позволяет учесть поправку на изменение вязкости воды в холодные египетские ночи. [c.11] Известно также, что еще за 1500 лет до Аменемхета древние шумеры в качестве единицы веса использовали вес воды, вытекающей из воронки за определенное время. Однако нет никаких доказательств, что и они, делая сосуд коническим, пытались учесть поправку на изменение вязкости в зависимости от температуры. [c.11] Славой древней Греции были ее философы и математики, но они не снисходили до того, чтобы пачкать руки земными, проблемами. Римляне были более практичными людьми, но их наиболее величественные усилия были направлены на захваты территорий и создание законов. [c.12] В мрачном Средневековье история реологии теряется. Лишь когда наступила оттепель Ренессанса, место нетерпимости и подозрений стала занимать наука. Леонардо да Винчи в середине XVI века исследует течение воды в различных каналах и трубах. Движение истории ускорилось в XVII столетии. В это время Галилей проводит свои первые наблюдения, а позд нее Гук утверждает, что в твердом теле напряжения пропорциональны деформациям, и Ньютон устанавливает, что сопротивление жидкости течению пропорционально скорости сдвига. Интересно заметить, что Ньютон проводил свои опыты, наблюдая за цилиндром, вращающимся в бассейне. Его прибор по-принципу действия аналогичен многим современным вискозиметрам. Вряд ли сам Ньютон понимал, сколь важны его наблюдения и выводы для современной реологии, ибо он ставил свои опыты для исследования движения планет Солнечной системы. Парадоксально, но большинство реологов рассматривают сейчас ньютоновский закон течения как некоторый идеализированный случай, так как большинство исследований выполняется на неньютоновских жидкостях, в которых напряжения не пропорциональны скорости сдвига. [c.12] Основная веха в истории реологии—это открытие в середине XIX века закона Пуазейля. Пуазейль интересовался течением крови в сосудах и для упрощения постановки эксперимента исследовал течение воды в стеклянных трубках. Он установил, что количество воды, протекающей по трубке, прямо пропорционально четвертой степени диаметра трубки и первой степени давления. С увеличением вязкости и длины трубки расход воды уменьшался. Позднее Гельмгольц, приняв, что течение вязкой жидкости происходит прямолинейно и жидкость, не скользит по стенке капилляра, вывел закон Пуазейля математически. [c.12] Современных реологов можно условно разделить на две группы. Одни (которых мы назовем греками ) любят абстрактно теоретизировать, другие ( римляне ) предпочитают практические измерения как для технологических целей, так и в исследовательских работах. К счастью, между двумя группами реологов существует тесная связь, и многие греки умеют говорить на языке римлян , а многие римляне говорят по-гречески . Более того, если приборы, используемые экспериментаторами, предназначены для исследовательских целей, то получаемые на них результаты легко перевести на язык теории (при этом часто получаются интересные результаты). [c.13] Приборы, предназначенные для измерений реологических свойств жидкостей, должны отвечать двум требованиям осуществлять деформирование так, чтобы исследуемая жидкость подвергалась сдвигу при известной скорости и работать при известных действующих напряжениях. Во многих приборах геометрическая форма измерительных органов столь сложна, что определить значения напряжений и скоростей сдвига практически невозможно. На практике широко используются два основных типа приборов, которые позволяют устанавливать соотношение между напряжениями и скоростями сдвига это ротационный и капиллярный (или экструзионный) вискозиметры (реометр). [c.13] Ротационный вискозиметр представляет собой маленький цилиндр, вращающийся в большом (рис. 1) исследуемая жидкость помещается в кольцевой зазор, образованный цилиндрами. В некоторых случаях вращается наружный цилиндр, а внутренний закрепляется неподвижно. В обоих случаях напряжения сдвига оцениваются по моменту, необходимому для вращения одного из цилиндров, а скорость сдвига—по скорости вращения. [c.13] Экструзионный реометр—это потомок водяных часов Аменемхета. Прибор состоит из большого цилиндра с цилиндрическим насадком (капилляром), прикрепленным ко дну большого цилиндра. Жидкость помещается в большой цилиндр и под давлением сжатого газа продавливается через капилляр, подобно тому как выдавливается смазка из смазочного пистолета. Давление характеризует приложенные напряжения, а объемный расход жидкости—скорость сдвига. [c.13] Рассмотрим некоторые типичные материалы и ойределим, каковы закономерности их течения в капиллярах. Простейшие жидкости—вода, масла, спирты, эфиры и др.—это ньютоновские жидкости. Увеличение давления в экструзионном реометре вдвое приводит к двукратному повышению расхода, поэтому кривые течения этих материалов представляют собой прямые линии (рис. 2). [c.14] Однако опыт показывает, что эта простейшая закономерность оказывается несправедливой для более сложных материалов, например консистентных смазок и косметических кремов. Смазки, вообще, не текут при малых нагрузках, т. е. они не выдавливаются из экструзионного реометра, пока не будет приложено достаточно большое давление. Минимальное напряжение, которое необходимо приложить для того, чтобы происходило течение таких систем, называется пределом текучести. При напряжениях выше предела текучести скорость сдвига становится пропорциональной разности между приложенным напряжением и пределом текучести. Описанные системы называют в честь их первооткрывателя вязко-пластичными телами Бингама. Существование предела текучести обусловлено прочностью связей в гелеподобной структуре смазки течение может осуществляться только после разрушения этих связей. [c.14] Рассмотрим, каковы свойства растворов полимеров в низкомолекулярном растворителе. Если раствор достаточно разбавленный, то он ведет себя как ньютоновская жидкость. [c.14] Замечали ли вы когда-нибудь, что, наступив на мокрый песок, вы начинаете медленно погружаться в него Если же бежать по такому песку, то он оказывается значительно более жестким. Это загущение мокрого песка представляет собой пример дилатансии, или загущения системы при течении. Если повысить давление в четыре раза, то скорость течения дилатантного материала может увеличиться только вдвое (см. рис. 2). При низких скоростях сдвига частицы могут проскальзывать друг по другу, а при повышении скорости сдвига одни частицы начинают препятствовать движению других, более быстро перемещающихся. Поэтому быстродвижущиеся частицы вынуждены перескакивать через соседние, что эквивалентно эффекту расширения системы. Явление дилатансии может встретиться в лакокрасочных покрытиях, наполненных полимерах и т. п. [c.15] Изучение реологии необходимо не только для установления законов течения различных полимерных систем, лакокрасочных покрытий, смазок и многих других материалов. Реологические методы могут использоваться. для проникновения в микромир, для оценки внутренних сил, действующих в различных телах. Зная природу этих сил, мы сможем создавать новые, лучшие материалы—материалы будущего. [c.15] Вернуться к основной статье