Меню

Зависимость напряжения от скорости сдвига вида характеризует

ПРЕДЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

Реограммы пластично-вязких твердообразных материалов имеют сложный характер с несколькими характерными участка­ми (рис. 13.5).

С увеличением напряжения сдвига до точки 1 происходит только упругая деформация, слои друг относительно друга не пе­ремещаются, материал ведет себя как твердое тело, вязкость сис­темы бесконечно велика.

Величина θ ст (статическое предельное напряжение сдвига) ха­рактеризует переход системы из состояния покоя в состояние медленного перемещения одного слоя относительно другого (ползучесть) без заметного разрушения структуры. Деформация становится высокоэластичной, вязкость принимает максималь­ное значение (η max) и называется пластической или шведовской.

Величина θ ст, или более распространенное на практике обоз­начение θ 0 — предельное напряжение сдвига неразрушенной структуры, является одной из основных реологических характе­ристик пластично-вязких материалов. Под предельным на­пряжением сдвига понимают напряжение, по достижении которого материал начинает необратимо деформироваться (течь).

Рис. 13.5. Реологические кривые для твердообразных систем:

а — зависимость градиента скорости

от напряжения сдвига;

логарифма эффективной вязкости

от напряжения сдвига;

0—1 — зона упругих деформаций;

1—2 — зона начала течения

с наибольшей эффективной

и пластической вязкостью;

2—3 — начало зоны лавинного

3—4— зона лавинного разрушения структуры (течение с наименьшей

5 и выше — зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью

предельно разрушенной структуры

Для большей наглядности представим себе кубик (рис. 13.6), который нижним основанием приклеен к неподвижной плоско­сти, а к верхнему основанию приложено напряжение θ. В резуль­тате кубик превратится в ромбоэдр, так как его боковые стороны сдвинутся на угол ε. Этот угол называется углом сдвига. Он зави­сит от приложенного напряжения и свойств материала.

Рис. 13.6. Деформация сдвига

Если напряжения сдвига малы, то и углы невелики и исчеза­ют после того, как будут сняты напряжения, в этом случае тело проявляет упругие свойства. Если приложены большие напряже­ния, получаются большие углы ε, после снятия напряжений углы сдвига могут частично уменьшаться, но не до нуля, т. е. появятся остающиеся углы сдвига ε’. Напряжения, при которых они появ­ляются, называются пределом упругости и характеризуют пре­дельное напряжение сдвига.

Участок 2—3 (см. рис. 13.5) соответствует интенсивному (ла­винному) разрушению структуры в системе. Начало разрушения θ т означает переход ползучести в течение с постоянно изменяю­щейся вязкостью, называемой эффективной вязкостью η Эф.

Эффективная вязкость — это итоговая характеристика для данного напряжения сдвига, характеризующая равновесное со­стояние между процессами восстановления и разрушения струк­туры, а также ориентации частиц в направлении установившего­ся ламинарного потока жидкости.

Участок 3— 4 (прямая линия) отвечает течению системы с раз­рушенной структурой. Величина θ 0, отсекаемая на оси абсцисс продолжением прямолинейного участка, называется динамиче­ским или бингамовским предельным напряжением сдвига.

Величина θ max соответствует практически полному разруше­нию структурных элементов. Вязкость системы принимает ми­нимально возможное значение.

Адгезия (от лат. adhesio — прилипание) — это сцепление раз­нородных тел, соприкасающихся своими поверхностями. Она относится к поверхностным свойствам пищевых продуктов, иг­рает важную роль в различных технологических процессах, где существует контакт между продуктом и поверхностью обрабаты­вающей машины, и, как правило, нежелательна.

На адгезию пищевых масс оказывают влияние свойства ис­пользуемого сырья и особенности технологии. Например, адге­зия дрожжевого теста зависит от способа приготовления (опарное, безопарное, сорт муки, количество дрожжей, добавки ПАВ и др.).

До настоящего времени природа адгезии полностью не выяс­нена и существует несколько теорий ее существования (адсорб­ционная, термодинамическая, диффузионная, электрическая, химическая и др.).

Читайте также:  Ток при удвоитель постоянного напряжения схема

По адсорбционной теории адгезия связана с действи­ем межмолекулярных сил: физических — ван-дер-ваальсовых, ковалентно-ионных. При взаимодействии двух тел вследствие броуновского движения молекул и их перегруппировки на границе контакта устанавливается адсорбционное равно­весие.

Диффузионная теория, развиваемая С. С. Воюцким, объ­ясняет адгезию полимеров диффузией макромолекул в поры и трещины металлической поверхности, а также результатом диф­фузии в аморфный слой гидроксида, образующегося на поверх­ности металла.

Согласно электрической теории Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой адгезия объясняется контактной электризацией на границе разнородных тел, т. е. возникновением в зоне контак­та своеобразного электрического молекулярного конденсатора, обусловленного двойным электрическим слоем.

Химическая теория связывает явление адгезии с хи­мической активностью контактирующих тел. В месте контакта происходит химическое взаимодействие контактирующих ма­териалов, в результате которого на поверхности металла образу­ются мономолекулярный слой продуктов реакции взаимодей­ствия.

Таким образом, хотя механизм адгезии недостаточно изучен и не существует единой теории этого процесса, каждая из вышеприведенных теорий определенным образом объясняет явление адгезии.

С понятием адгезии тесно связано понятие когезии. Когезия означает связи внутри данного тела. Соотношение адгезии и когезии в значительной степени определяет условие после удале­ния структурированных пищевых масс (тесто, фарши и др.) при нарушении их контакта с твердой поверхностью.

В большинстве случаев силы адгезии превышают силы коге­зии и отрыв от поверхности субстрата происходит полностью или частично в объеме адгезива. В этом случае отрываемая по­верхность полностью или частично оказывается покрыта адгезивом, а вид отрыва называют когезионным или смешанным. Например, для мучного теста это означает прилипание части теста к внутренней поверхности различных емкостей, к деталям технологического оборудования. Повышенная по сравнению с когезией адгезия теста приводит к потерям пищевого сырья и снижению производительности оборудования.

На величину адгезии оказывают влияние различные факторы: влажность продукта, площадь, давление и продолжительность контакта с поверхностью, вид поверхности, скорость отрыва и др.

Источник



Реологические свойства

Раздел медицины: Стоматология и ЧЛХ

Реология — это учение о текучести материалов. Текучесть жидкости измеряется вязкостью, текучесть твердых веществ — ползучестью (крипом) и вязкоэластичностью.

Когда вещество течет под воздействием прилагаемой к нему нагрузки (например, сил гравитации), молекулы или атомы начинают контактировать с соседними атомами или молекулами. Таким образом, имеющиеся связи могут распадаться и образовываться снова, оказывая сопротивление течению. Это сопротивление течению и называется вязкостью.

Для таких жидкостей, как вода, силы связи между молекулами очень малы и легко преодолеваются, поэтому вода легко течет под воздействием сил, прилагаемых извне, и вязкость ее невысока. У некоторых других жидкостей силы межмолекулярного взаимодействия будут намного выше. Обычно такие силы ассоциируются с крупными молекулами, например, молекулами такого известного вещества, как патока. Молекулы в подобных веществах могут переплетаться друг с другом, что делает жидкость очень вязкой.

Рис. 1.8.1. Сдвиг слоя жидкости толщиной d, расположенного между двумя твердыми пластинами. Для движения верхней подвижной пластины относительно неподвижной нижней со скоростью V необходимо приложить силу F для преодоления сопротивления данного слоя жидкости

Эти явления наблюдаются у полимеров с высокой молекулярной массой.

Когда мы перемешиваем жидкость, мы прикладываем усилия, которые создают в жидкости напряжения сдвига, чем энергичнее перемешивается жидкость, тем выше скорость сдвига. Эта ситуация графически показана на Рис. 1.8.1. Напряжение и скорость сдвига определяются соотношениями:

Читайте также:  Причины постоянного напряжения челюсти

Напряжение сдвига = r\s = F/A

Скорость сдвига = е = V/d

Существует ряд методов измерения напряжения сдвига путем оценки ряда скоростей сдвига для данной жидкости. По значениям скоростей сдвига, полученным экспериментальным путем, строят график в координатах напряжение сдвига — скорость сдвига. Зависимость между напряжением и скоростью сдвига для многих жидкостей является линейной. На Рис. 1.8.2 представлена типичная кривая для такой жидкости. Угол наклона кривой равен вязкости, т), определяемой по формуле: Т| = напряжение сдвига/скорость сдвига. Единицами измерения вязкости являются Паскаль секунды (Пах).

Вещества, для которых соотношение между напряжением и скоростью при сдвиге носит линейный характер, имеют один показатель вязкости для всего диапазона скоростей сдвига, и проявляют «ньютоновские » свойства текучести. Однако линейное соотношение наблюдается далеко не у всех материалов, некоторые имеют другие отличные характеристики, представленные на Рис. 1.8.3.

Рис. 1.8.2. Зависимость напряжения сдвига от скорости для ньютоновской жидкости

Рис. 1.8.3. Графическое представление реологических свойств ряда жидкостей

Жидкости с пластической характеристикой не будут течь, пока приложенное начальное напряжение сдвига не достигнет определенной величины. После этого течение жидкости будет соответствовать ньютоновскому поведению.

У дилатантных (расширяющихся) жидкостей при повышении скорости сдвига будет увеличиваться вязкость. Это означает, что чем быстрее мы будем перемешивать жидкость, тем труднее будет проводить этот процесс. Текучесть таких жидкостей невозможно характеризовать одним единственным показателем вязкости.

Для некоторых жидкостей увеличение скорости сдвига не приводит к соответствующему повышению напряжения сдвига. Это означает, что увеличение скорости сдвига облегчает перемешивание таких веществ, что отличает их от «ньютоновских» или дилантатных жидкостей. Подобное поведение жидкости называют псевдопластическим, оно приводит к распространенному явлению, называемому «разжижением вещества». Примером псевдопластического вещества стоматологического назначения является силиконовый оттискной материал, который за счет разжижения при увеличении скорости сдвига будет значительно легче вытекать из шприца, чем вещество, не обладающее псевдопластичностью.

До настоящего момента полагали, что если известны значения напряжения и скорости сдвига в данный момент времени, то можно определить вязкость. Для некоторых веществ при определенной скорости сдвига вязкость будет меняться, и если построить график в системе координат «напряжение сдвига — скорость сдвига», то можно увидеть картину, представленную на Рис. 1.8.4.

Рис. 1.8.4. Характеристика тиксотропного поведения жидкостей

В этом случае, вязкость, наблюдаемая при повы шении скорости сдвига, отличается от таковой, при снижении этой скорости. Подобное явление называется гистерезисом. В таких случаях вязкость жидкости зависит от предшествующих деформаций, которым эта жидкость ранее подвергалась.

Этот тип поведения жидкости наблюдается в тех случаях, когда в результате перемешивания в ней произошло перераспределение молекул, и при этом молекулам не хватило времени снова вернуться к своему нормальному положению, имевшему место до перемешивания. Таким образом, чем дольше перемешивать жидкость с заданной скоростью сдвига, тем ниже будет напряжение сдвига, тем меньше будет вязкость этой жидкости. Однако если жидкость после перемешивания оставить на какое-то время, молекулы вернутся к своему нормальному распределению, и тогда весь процесс можно будет проводить снова. Такой тип поведения жидкости называется тиксотропным. Примером тиксотропной жидкости являются красители, не стекающие с кисти художника.

Реологические свойства материалов имеют большое значение потому, что они существенным образом определяют технологические характеристики материала.

Читайте также:  Генератор passat b3 напряжение

Многие материалы по физическим свойствам находятся где-то посередине между вязкой жидкостью и упругим твердым телом. Считается, что у упругого твердого материала соотношение между напряжением и деформацией не зависит от каких бы то ни было динамических факторов, таких, как скорость приложения нагрузки или скорость деформации. Однако если материал нагружен в течение достаточного времени, в некоторых твердых веществах под воздействием нагрузок происходит перераспределение молекул, что приводит к изменению величины деформации материала. После снятия нагрузки, материал не способен сразу же вернуться в исходное состояние. Это означает, что поведение материала зависит от таких факторов, как «длительность нагрузки» и «величина прилагаемой нагрузки».

Простым и эффективным способом наглядного представления этих свойств является использование модели, основанной на комбинации пружины и масляного амортизатора, представляющей собой устройство для поглощения энергии удара. Пружина играет роль упругого элемента, а масляный амортизатор — вязкого. Изменение деформации этой модели со временем представлено на Рис.1.8.5. Для пружины приложение нагрузки приведет к моментальной деформации, которая будет сохраняться в течение всего времени действия нагрузки. Сразу же после снятия нагрузки пружина вернется в исходное состояние за счет сил упругости. Для масляного амортизатора, напротив, приложение нагрузки приведет к постепенному нарастанию деформации в течение всего времени

действия нагрузки. После снятия нагрузки деформация не исчезнет, и масляный амортизатор останется в новом положении.

Рис. 1.8.5. Графическая характеристика упругого поведения пружины и вязкого масляного амортизатора

При параллельном соединении этих двух элементов можно получить простую модель вязкоэластичности. Реакция такой модели на нагрузку представлена на Рис. 1.8.6. В этой модели масляный амортизатор препятствует резкой деформации упругой пружины. При этом деформация масляного амортизатора постепенно позволяет пружине приближаться к желаемому состоянию деформирования. При снятии нагрузки, масляный амортизатор препятствует возвращению пружины в исходное состояние, которое, в конце концов, может быть достигнуто через определенное время.

Рис. 1.8.6. Вязкоэластичное поведение пружины и амортизатора, соединенных параллельно

Вязкоэластичными свойствами обладает группа эластомерных оттискных материалов. Кривая в координатах «деформация-время» для эластомеров и отвечающая ей модель, основанная на упругом, вязком и вязкоэластичном элементах, представлена на Рис. 1.8.7. Для того, чтобы избежать избыточной постоянной деформации этих материалов, их не следует нагружать дольше положенного времени. По этой причине эластомерный оттискной материал удаляют из полости рта коротким резким рывком. Чем быстрее будет приложена и снята нагрузка, тем более упругой будет реакция материала.

Рис. 1.8.7. Вязкоэластичная модель реологического поведения полностью отвержденного эластомерного оттискного материала.

Нагрузка, приложенная в момент to приводит к мгновенному растяжению пружины А, а деформация пружины D запаздывает из-за противодействия амортизатора С. Через некоторое время амортизаторы С и В срабатывают и приводят к дальнейшей деформации. В момент t1 нагрузка снимается, пружина А мгновенно возвращается в исходное состояние. Амортизатор С препятствует возвращению пружины D в исходное состояние. Постепенно к моменту t2 пружина возвращается к своей первоначальной длине. Некоторая величина остаточной деформации сохраняется, так как поршень масляного амортизатора В не вернулся в свое исходное положение

Некоторые материалы по своим свойствам занимают промежуточное положение между жидкостью и твердым телом, что обуславливает их склонность к деформации.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Источник