Техника - молодёжи 1963-10, страница 9

РЕОЛОГИЯ

ТЕЧЕНИЕ КАМНЕЙ И НЕПОДВИЖНОСТЬ ВОДОПАДОВ

Г, СМИРНОВ, инженер Рис. Г, Г0РДЕЕ80Я

{

Три предмета — резинка, пластилиновый шарик и вода, налитая в стакан.

Опрокидываем стакан и выпускаем из рук резинку и шарик. Бее три тела падают» одновременно достигают пола, и... «пути их расходятся». Резинка упруго подпрыгивает, пластилиновый шарик застывает в неподвижности, а вода растекается в лужу. Бели поднять шарик и внимательно осмотреть его, нетрудно заметить вмятинку на его поверхности. Под действием нагрузки он деформировался. На резинке нет никаких вмятин, но скоростная киносъемка покажет, что в момент удара о пол возникающие в резинке напряжения вызывают упругую деформацию. Что касается воды, то даже ничтожные нагрузки заставляют ее течь.

Изучением деформаций, напряжений и течений занимается особая наука — «реология» (в переводе с греческого «наука о течениях»).

Но надо ли выдумывать новую науку? Разве гидродинамика не занимается течениями? Разве теории упругости и пластичности не исследуют деформации тел под нагрузкой? Что же это за наука, объединяющая три старые?

Дело в том, что в «сети» трех упомянутых наук попадают редкие «крупные рыбы», а огромное количество «мелочи» проскакивает сквозь «ячейки». Из необозримого множества веществ, встре

чающихся в природе, научному наблюдению подвергаются только те материалы, свойства которых приближаются к свойствам идеальных твердых и жидких тел. Остальное выпадает из сферы приложения трех наук. А «всего остального» не так уж мало. Зубная паста и цементный раствор, сгущенное молоко и асфальт, тесто и пластмассы, сливочное масло и сырые глины, древесина и шоколадная масса, резина и масляная краска...

Модели реологии

Кстати, с масляной краски и «началась» реология. Опыт и здравый смысл, которые мы выносим из повседневной жизни, порой не выдерживают проверки. При первом знакомстве с варом мы сочтем его зй твердое тело, а на самом деле ото очень вязкая жидкость. Каждый скажет, что крахмальный клейстер — вязкая жидкость, а опытами установлено, что он до некоторой, правда небольшой, нагрузки ведет себя как упругое твердое тело.

«Масляная краска — пластичный материал, а не вязкая жидкость» — так называлась статья американского ученого Б. Бингема, опубликованная в 1919 году. К этому неожиданному заключению Бингема привело несложное рассуждение. Хорошая краска должна легко раз-

ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫЙ НАСОС* Если величина зазора между диенами около 0,1 мм, ротор вращается со скоростью 1 ООО оО/мин, то воздух в зазоре тоже начинает вращаться* Под действием центробежных сил ои выбрасывается из зазора. Манометр помажет разрежение. Если же диски сблизить до нескольких микрон, мы обнаруживаем, что манометр показывает избыточное давление. Устройство работает как центростремительный насос*

ЭФФЕКТ ВЕЯССЕпВЕРГА Мы привыкли считать воду типичной жидкостью* в действительности вода — особая жидкость, характеризующаяся сравнительно малой вязкостью. Ее поведение в ряде случаев отличается от поведения обобщенной жид* кости (например, напалма или сгущенного молока) 1* При-вращении я сосуде поверхность жидкостей принимает форму параболоида вращения* Если погрузить в жидкость неподвижный цилиндр, поведение обобщенной и особой жидкостей сходно 2, Зато в отличие от особой обобщенная жидкость по мере увеличения скорости А, Б, В ползет вверх по неподвижному стержню 3» собирается в полом цилиндре 4, выпучивается горкой в диске с отверстием 5, заполняет отверстия между цилиндрами б и собирается в «бочку» под диском 7.

В мйюло $ке но фото* графии слеша; иа банки в стекам вытекает вязкая жидкость — парафин с 5*/» жидкого мыла. В ямах кожник — и разрешенная ими струя» как упругая резина, втягивается в банку. Л на фотографии справа видно. как под действием дав» ления со скоростью нескольких миллиметров в столетие «текут» горные породы.

называться кистью и обладать, следовательно, малой вязкостью. Однако хорошая краска, нанесенная на вертикальную стену, не должна стекать вниз под действием собственной тяжести. Для этого краска должка быть очень вязкой. Бингем первый заметил, что это противоречие вытекает из непонимания существа дела. Чтобы краска не стекала со стены, недостаточно замедлить стекание. Краска вообще не должна течь! Она должна вести себя как твердое тело!

Краска и есть пластичное твердое тело с таким низким пределом текучести, что давления кисти достаточно для того, чтобы она начала течь, как жидкость. Но собственного веса, оказывается, недостаточно, чтобы она могла стекать с вертикальной стенки. И здесь она ведет себя, как твердое тело.

Следовательно, только величиной предела текучести краска отличается от свинца и других пластичных материалов, так, казалось бы, не похожих на нее. Для моделирования поведения различных веществ в реологии предложены три модели. Первая — спиральная пружина, олицетворяющая собой упругость. Б реологии она получила название «тела Гука» — по имени ученого, который первым начал исследовать поведение упругих материалов.

Бторая модель — пористый поршень, движущийся в замкнутой трубке, заполненной маслом. Это «тело Ньютона» — олицетворение вязкости.

И,- наконец, обычный груз, лежащий на горизонтальной поверхности, в реологии символизирует пластичность. Эта модель получила название «тела Сент-Бенана» — по имени французского ученого, занимавшегося пластическими веществами. Б отличие от первых двух моделей тело Сент-Венана — не точная модель. Постоянная сила, сдвинувшая такое тело с места, заставляет его непрерывно ускорять свое движение, а то время как в действительности пластичное тело под действием постоянной нагрузки должно деформироваться с постоянной скоростью. Чтобы смоделировать реальное пластичное тело, Бингем предложил соединить тело Ньютона и тело Сент-Бенана параллельно. Это уже точная модель пластичного вещества — тело Бингема. До тех пор, пока не сдвинулся с места груз, течения нет. Груз сдвинут, но ускорения кет — пористый поршень заставляет тело «деформироваться» с постоянной скоростью.

Б