Физико-механические свойства аморфных тел и дисперсных систем. Элементы реологии

В механике совокупность вещества, ограниченная поверхностью раздела, носит название тела. Форма тела определяется действующими на него силами. Конечная задача физической механики реальных тел заключается в описании изменений формы тел и установлении количественной связи менаду деформациями и вызывающими их силами.

Силы и деформации. Течение

Внутренние и внешние силы. Напряжение. Силы, действующие на тела, делятся на две группы. Первые связаны с взаимодействием отдельных частей тела. Силы, относящиеся к этой группе, носят название внутренних. Вторые зависят от действия окружающих тел на рассматриваемое, и составляющие ее силы называются внешними. Деление на внешние и внутренние силы применимо только к данному телу, так как его внутренние силы могут оказаться внешними по отношению к другому телу.

Внешние механические силы имеют различное происхождение. Часто это сила тяжести, упругая сила сжатой пружины, сила, возникающая при сжатии газа или другого тела, или, наконец, давление текущей жидкости. Внешние силы обычно называют нагрузкой. Например, для растянутой пружины внешней силой является груз, растягивающий эту пружину, а упругие силы, возникающие в самой пружине, представляют собой внутренние силы.

Если внешние силы приложены к поверхности тела, то в зависимости от направления действия они делятся на нормальные, направленные перпендикулярно к поверхности, и тангенциальные, направленные по касательной к этой поверхности. Отношение силы к площади, на которую она действует, носит название напряжения.

Для тела, изображенного на фиг. 1,я, нормальное напряжение

— нормальная сила; St — площадь, на которую она действует.

Подобно этому тангенциальное напряжение, где

она приложена (фиг. 1,$).

Нормальное напряжение, приложенное ко всей поверхности тела, носит название давления. При равномерном давлении нормальное напряжение на каждую единицу поверхности постоянно. Всякое механическое напряжение измеряется в единицах давления.

  Единицы давления: бар, пьеза, нормальная атмосфера, техническая атмосфера, килограмм-сила на 1 мм2, милли.

метр ртутного столба и сантиметр водяного столба. Данные о единицах давления и их соотношениях можно найти в различных справочниках, в частности, в книгах Л. А.Сена и А. И. Бачин-ского, В. В. Путилова и др. .

Вследствие взаимодействия отдельных частей тела напряжение передается внутрь последнего. В простейшем случае вполне однородного тела оно передается равномерно.

Распределение напряжения внутри неоднородных тел может носить весьма сложный характер. В разных точках тела оно может быть неодинаковым по величине и направлению. Исследование распределения напряжения в реальных телах является важной задачей прикладной реологии, в частности, учения о вязкости и пластичности нефтепродуктов.

Внутренние силы создают сопротивление действию внешних сил. В связи с этим они иногда называются силами реакции в отличие от внешних сил, которые называются активными силами. Внутренние силы определяют физическую связность тел, их твердость, сопротивление сжатию, растяжению и вообще все механические свойства тел. Примером этих сил может служить давление газа, препятствующее его сжатию под поршнем.

Внутренние силы в конечном счете складываются из сил сцепления и отталкивания, действующих между молекулами, коллоидными и микроскопическими частицами, составляющими тела. Связь этих сил с обычными механическими силами в большинстве случаев имеет весьма сложный характер. Она выяснена достаточно полно только для наиболее простых и однородных тел. Так молекулярно-кинетическая теория позволяет вычислить давление и внутреннее трение разреженных газов, исходя из величины массы молекул и температуры. Что же касается реальных твердых тел, то теория еще не в состоянии в полной мере связать молекулярно-кинетические свойства с механическими. Это объясняется сложностью строения реальных тел и влиянием ряда факторов, которые не учитываются теорией. Для примера укажем на техническую прочность кристаллов. Она в десятки и сотни раз меньше теоретической. А. Ф. Иоффе показал, что это зависит от образования микротрещин, по которым идет разрушение кристаллов под нагрузкой. Еще меньше возможностей для вычисления внутренних механических сил дают молекулярно-кинетические теории аморфных тел и дисперсных систем. В самые последние годы достигнуты некоторые успехи в области теории механических свойств таких тел, но они еще далеки от своего завершения. Пока мы вынуждены ограничиваться лишь частными закономерностями, связывающими отдельные механические свойства тел со свойствами их молекул и частиц. Некоторые из этих зависимостей рассмотрены ниже.

Если внешние силы превышают внутренние, то в теле возникает деформация, продолжающаяся до" тех пор, пока не наступит равновесие между внутренними и внешними силами. Процесс деформации протекает во времени, в течение которого отдельные части тела могут находиться в деформированном состоянии, а другие —сохранять свою первоначальную форму, находясь в напряженном состоянии. При этом в последних участках напряжение будет большим, чем в среднем во всем теле. В технике процесс выравнивания напряжений внутри тела иногда называют рассасыванием напряжений.

Обычно при изучении деформаций стремятся рассматривать их в стационарном состоянии, когда установилось равновесие между внешними и внутренними силами, и напряжение внутри тела выравнялось, но на практике очень часто приходится иметь дело с неустановившимися деформациями.

Величина деформаций зависит от свойств тела и величины внешних сил, а в общем виде и от способа нагрузки, скорости нагрузки, времени и направления ее действия и т. д. Если величина сил сцепления молекул или частиц тела превосходит внешние силы, деформация будет очень невелика и требуются специальные методы Для ее обнаружения . Однако даже в том случае, когда изменение формы тела незначительно, под влиянием внешних сил возникают напряжения и тело находится в напряженном состоянии.