Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы реологии

Покупка
Артикул: 774986.01.99
Рассмотрены основные теоретические понятия, типичные экспериментальные данные и области практического применения результатов исследований закономерностей течения любых реальных жидкостей, в общем смысле определяемых термином реология (т. е. наука о течении), включая многообразные и многочисленные растворы полимеров, пасты, крема, биологические жидкости (кровь), краски, нефть, пищевые продукты, изделия фармакологии, косметики, строительные материалы, полимеры и т. д. Книга включает в себя фундаментальные аспекты механики сплошных сред: основы реологии, общие представления и характерные ситуации, связанные с линейными и нелинейными свойствами веществ и проблемами неустойчивости при их деформировании, массив конкретных сведений, относящихся к полимерам и дисперсным системам, обсуждение экспериментальных методов реологии, а также более 100 вопросов и задач. Учебное пособие иллюстрируется большим количеством конкретных примеров, которые наглядно представляют проблемы и способы их решения. Книга предназначена для студентов различных технических специальностей, которые уже встречались или будут иметь дело с жидкостями любого типа, а также специалистам, профессионально занимающимся реологией материалов, продуктов и сред как в части оценки их свойств, так и технологии получения и переработки.
Малкин, А. Я. Основы реологии : учебное пособие / А. Я. Малкин. - Санкт-Петербург : ЦОП «Профессия», 2018. - 336 с. - ISBN 978-5-91884-100-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1859938 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

УДК 531
ББК 22.251
М18

М18 
Малкин А. Я.
Основы реологии. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2018. — 336 с., цв. ил., табл.

ISBN 978-5-91884-100-6

Рассмотрены основные теоретические понятия, типичные экспериментальные 
данные и области практического применения результатов исследований закономерностей 
течения любых реальных жидкостей, в общем смысле определяемых термином реология 
(т. е. наука о течении), включая многообразные и многочисленные растворы полимеров, 
пасты, крема, биологические жидкости (кровь), краски, нефть, пищевые продукты, изделия фармакологии, косметики, строительные материалы, полимеры и т. д. 

Книга включает в себя фундаментальные аспекты механики сплошных сред: основы реологии, общие представления и характерные ситуации, связанные с линейными и нелинейными свойствами веществ и проблемами неустойчивости при их деформировании, 
массив конкретных сведений, относящихся к полимерам и дисперсным системам, обсуждение экспериментальных методов реологии, а также более 100 вопросов и задач. Учебное 
пособие иллюстрируется большим количеством конкретных примеров, которые наглядно 
представляют проблемы и  способы их решения. 
Книга предназначена для студентов различных технических специальностей, которые уже встречались или будут иметь дело с жидкостями любого типа, а также специалистам, профессионально занимающимся реологией материалов, продуктов и сред как 
в части оценки их свойств, так и технологии получения и переработки.

УДК  531
ББК 22.251

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых 
издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или 
технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность 
и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, 
связанные с использованием книги. Книга издана в авторской редакции.

© Малкин А. Я., 2018
© ЦОП «Профессия», 2018
© Оформление: ЦОП «Профессия», 2018
ISBN 978-5-91884-10-6

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие .........................................................................................................8

1. ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 11

1.1. Что такое реология – предмет реологии .................................................... 11

1.2. Механика сплошных сред — основные определения ............................... 16
1.2.1. Введение ............................................................................................... 16
1.2.2. Напряжения .......................................................................................... 16
Общие принципы ....................................................................................... 16
Главные напряжения и инварианты .......................................................... 20
Гидростатическое давление – сферический тензор и девиатор ................ 23
Одноосное растяжение ............................................................................... 24
1.2.3. Уравнения равновесия ......................................................................... 25
1.2.4. Деформации ......................................................................................... 28
Смещения ................................................................................................... 30
Малые деформации – главные значения и инварианты .......................... 33
Большие (конечные) деформации ............................................................. 34
Одноосное растяжение и коэффициент Пуассона ................................... 36
1.2.5. Кинематика деформаций ..................................................................... 38
Скорость деформаций и версор ................................................................. 38
Скорость деформации при больших деформациях ................................... 40
1.2.5. Механика сплошных сред в реологии ................................................. 41

1.3. Вопросы и задачи ........................................................................................ 43

2. ЛИНЕЙНЫЕ СРЕДЫ И МАТЕРИАЛЫ ......................................................... 49

2.1. Линейность и нелинейность ...................................................................... 50

2.2. Ньютоновская вязкая жидкость ................................................................. 51

2.3. Гуковское упругое тело ............................................................................... 56
2.3.1. Введение ............................................................................................... 56
2.3.2. Гуковские тела (материалы) ................................................................. 57
2.3.3. Линейные анизотропные упругие материалы ..................................... 61
2.3.4. Пределы упругости ............................................................................... 65
Стандартный эксперимент – определения ............................................... 65

2.4. Пластичность .............................................................................................. 66
2.4.1. Пластичность как явление ................................................................... 66

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

2.4.2. Деформационное упрочнение ............................................................. 69
2.4.3. Критерии пластичности и разрушения ............................................... 69
Максимальное сдвиговое напряжение ...................................................... 70
Энергетический критерий (интенсивность касательных напряжений) ..... 71
Максимальное нормальное напряжение ................................................... 72
Максимальная деформация ....................................................................... 72
Комплексные критерии ............................................................................. 73

2.5. Линейные вязкоупругие среды ................................................................... 74
2.5.1. Основные эксперименты – релаксация .............................................. 75
Время релаксации – общая концепция в физике ..................................... 76
2.5.2.  Основные эксперименты – ползучесть (крип, запаздывающая 
деформация) ..........................................................................................79
2.5.3. Основные эксперименты – затухающая память ................................. 82
2.5.4. Основные эксперименты – гармонические колебания ...................... 84
2.5.5. Критерий Деборы и число Вайссенберга ............................................ 89

2.6. Вопросы и задачи ........................................................................................ 94

3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ..................................................................... 101

3.1. Неньютоновское течение ..........................................................................102
3.1.1. Основные определения .......................................................................102
3.1.2. О природе неньютоновского течения .................................................103
3.1.3. Кривые течения с наибольшей ньютоновской вязкостью ................106
3.1.4. Кривые течения с пределом текучести ...............................................108

3.2. Упругость жидкости ...................................................................................112
3.2.1.  Эффект Вайссенберга – нормальные напряжения при сдвиговом 
течении .................................................................................................112
3.2.2. Вторичные течения .............................................................................118
3.2.3. Нелинейность как следствие больших упругих деформаций ............121

3.3. Нелинейная вязкоупругость ......................................................................125
3.3.1. Нелинейная релаксация ......................................................................125
3.3.2. Нелинейная ползучесть .......................................................................127
3.3.3. Периодические колебания при больших амплитудах ........................130

3.4. Структурные и временные эффекты .........................................................132
3.4.1. Тиксотропия ........................................................................................132
3.7.2. Структурообразование и долговечность .............................................137
3.7.3. Фазовые переходы, инициированные деформированием.................142
3.7.4. Гетерогенность при течении................................................................144
Неоднородность многокомпонентной системы ......................................144

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Полосы сдвига ...........................................................................................149
3.4.8. Неустойчивости ...................................................................................154
Немаксвелловская релаксация – возникновение бифуркаций  ..............155
Возникновение хаоса.................................................................................156

3.5. Вопросы и задачи .......................................................................................158

4. РЕОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ ......................................................................... 162

4.1. Введение .....................................................................................................163

4.2. Реология растворов ....................................................................................164
4.2.1. Разбавленные растворы.......................................................................164
4.2.2. Концентрированные растворы (вязкость) .........................................168
4.2.3. Жидкокристаллические растворы полимеров ...................................171
4.2.4. Неньютоновское течение и упругость растворов полимеров ............174
Кривые течения .........................................................................................174
Упругость растворов полимеров ...............................................................175
Сифонный эффект ....................................................................................176
4.2.5. Неустойчивость при течении растворов полимеров ..........................177
Неустойчивость Плато–Релея ..................................................................177
Неустойчивость при растяжении  .............................................................179
4.2.6. Эффект Томса ......................................................................................180

4.3. Реология расплавов гибкоцепных полимеров ..........................................184
4.3.1. Вязкость расплавов  .............................................................................184
Неньютоновское течение расплавов полимеров ......................................184
4.3.2. Зависимость вязкости от ММ .............................................................189
4.3.3. Температурная зависимость вязкости от молекулярной массы ........194
4.3.4. Вязкоупругость и упругость расплавов полимеров ............................196
Вязкоупругие свойства полимеров ...........................................................196
Упругость расплавов полимеров ...............................................................198
4.3.5. Одноосное растяжение полимеров .....................................................201
4.3.6.  Реокинетика – реология в процессах образования 
и превращения полимеров ..................................................................206
4.2.7. Неустойчивость сдвигового течения ..................................................210

4.4. О физических моделях в реологии полимеров  ........................................213

4.5. Вопросы и задачи .......................................................................................218

5. РЕОЛОГИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ....................................................... 222

5.1. Введение .....................................................................................................222

5.2. Разбавленные дисперсии ...........................................................................224

5.3. Вязкость полуразбавленных и концентрированных дисперсий ..............229

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

5.4. Неньютоновские эффекты в концентрированных дисперсиях ...............235
5.4.1. Область низких напряжений – предел текучести ..............................235
5.4.2.  Область высоких напряжений – деформационное 
структурообразование .........................................................................237
5.4.3. Электро- (магнито-) реологический эффект .....................................241
5.4.4.  Особенности реологических свойств различных 
концентрированных дисперсий ..........................................................242
О реологии крови .......................................................................................243
О реологии нефти ......................................................................................244
О реологии пищевых продуктов ...............................................................247
О реологии косметических и фармацевтических изделий .......................250
О реологии некоторых технологических материалов ..............................252
 Консистентные смазки ............................................................................252
 Битумы .....................................................................................................252
 Цемент ......................................................................................................253

5.5. Концентрированные и сверхконцентрированные эмульсии ..................254

5.6. Неустойчивость и разрушение капель в эмульсиях ..................................259
5.6.1. Фазовые и структурные переходы ......................................................259
5.6.2. Разрушение капель в эмульсиях .........................................................264

5.7. Вопросы и задачи .......................................................................................266

6. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ........................................................... 272

6.1. Классификация ..........................................................................................273

6.2. Ротационная реометрия ............................................................................274
6.2.1. Ротационная вискозиметрия – куэттовское течение ........................274
6.2.2. Реометрия на основе куэттовского течения .......................................276
6.2.3. Деформирование между конической и плоской поверхностями ......277
6.2.4. Ротационные приборы ........................................................................279
6.2.5. Индустриальные методы .....................................................................281
Вискозиметр Муни ....................................................................................281
Пластограф Брабендера .............................................................................281
Вискозиметр Брукфельда ..........................................................................283
6.2.6. Задачи и возможности ротационной реометрии................................284

6.3. Капиллярная вискозиметрия ....................................................................285
6.3.1. Принцип измерений ...........................................................................285
6.4.2. Поправки .............................................................................................287
Поправка на концевые эффекты ..............................................................287
Пристенное скольжение............................................................................288

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Другие поправки ........................................................................................289
6.3.3. Капиллярные вискозиметры ..............................................................289
Стеклянные вискозиметры .......................................................................290
Показатель текучести расплавов полимеров ............................................292
Вискозиметры для измерений при высоких скоростях течения .............293
6.3.4. Задачи, решаемые методами капиллярной вискозиметрии ..............295

6.4. Вискозиметры. Пластометры, Пенетрометры ..........................................295
6.4.1. Движение твердого тела внутри жидкой среды ..................................296
6.4.2. Пластометры ........................................................................................298
Сдвиговые пластомеры .............................................................................298
Сжимающие пластометры .........................................................................299
6.4.3. Метод телескопического сдвига. Пенетрометры ...............................301

6.5. Измерение продольной вязкости ..............................................................303
6.5.1. Введение ..............................................................................................303
6.5.2. Методы .................................................................................................304
Растяжение в контролируемом режиме  ...................................................304
Приборы типа свободного сифона ...........................................................307
Четырехроликовый метод .........................................................................307
Растяжение в расходящемся потоке .........................................................308
Метод утоняющейся струи ........................................................................308

6.6. Измерения вязкоупругих свойств динамическим методом 
(вибрационные методы) .....................................................................................310
6.6.1. Введение ..............................................................................................310
6.6.2. Торсионные (крутильные) колебания ................................................313
6.6.3. Резонансные колебания ......................................................................313
6.6.4. Затухающие (свободные) колебания ..................................................313
6.6.5. Вибрационная вискозиметрия ............................................................317
6.6.6. Распространение волн .........................................................................317
Сдвиговые волны .......................................................................................317
Продольные волны ....................................................................................318

6.7. Физические методы ...................................................................................318
6.7.1. Реооптические методы ........................................................................318
Электронная и оптическая микроскопия .................................................319
Двулучепреломление в потоке ..................................................................320
6.7.2. Велосиметрия ......................................................................................325
6.7.3. Малоугловое нейтронное рассеяние ..................................................326
6.7.4. Вискозиметры-калориметры  .............................................................327

6.8. Вопросы и задачи .......................................................................................327

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Сто лет тому назад (в 1916 г.) опубликована обширная статья Юджина Бингама, 
в которой была предложена концепция вязко-пластичности, т. е. возможности проявления в одном веществе свойств, присущих и твердому телу и жидкости. Эту работу можно условно считать началом современной реологии, хотя, конечно, можно 
назвать имена блистательных предшественников, таких как Максвелл, Больцман 
или Кельвин. 
С тех пор были опубликованы тысячи работ в этой новой области, названной 
«Реологией»*. Что такое реология? Формальное определение этой области знаний гласит: «Наука о деформации и текучести веществ» (“Science on deformation 
and flow of matter”). Может быть, более точным было бы несколько более расширенное определение: «Наука об особенностях деформации и течения различных 
веществ».
Общая концепция реологии (условно) разделилась на ветви: теоретическую 
и молекулярную («Макрореологию» и «Микрореологию» по терминологии 
М. Рейнера), экспериментальную и прикладную реологию, хотя, несомненно, 
существуют внутренние связи между этими направлениями. От первых тоненьких монографий, посвященных реологии, изложение принципов и экспериментальных результатов реология разрослось до многотомных изданий, книг, 
в которых делались попытки изложения общих концепций, до толстых монографий, в которых детально рассматривались реологические свойства отдельных классов материалов или технологических приложений к различным 
технологическим процессам. Это были очень разнородные труды, иногда очень 
глубокие, иногда вполне конкретные, ориентированные на химиков или физиков, исследователей или технологов.
За 100 лет реология прошла путь преимущественно от описательной науки до 
одного из перспективных методов исследования структуры вещества и включила 
в свой арсенал различные физико-химические и физические методы исследования. 
Некоторые авторы, пишущие о реологии, (вольно или невольно) руководствуются классическим высказыванием Бенджамина Франклина**: «Если то, 

* «Реология» – название происходит от греческих корней «рео» – течь» и «логос» – «смысл, 
понятие, знание». Этот термин был официально принят с 1929 г. по предложению Маркуса Рейнера в связи с созданием старейшего (американского) реологического общества, аналоги которого ныне существуют в десятках стран мира, включая Россию.

** Имя одного из отцов-основателей Соединенных Штатов Америки Бенджамина Франклина 
(1706–1790) известно всем, хотя бы потому, что именно его портрет изображен на столь вожделенной многими 100-долларовой купюре. Однако он был не только политиком, но, кроме всего прочего, первоклассным естествоиспытателем. Он, в частности, сконструировал бифокальные очки, 
выяснил природу молнии и изобрел громоотвод, спасший тысячи жизней. Недаром эпитафия на 
его могиле гласит: «Он отнял молнию у неба и власть у тиранов». Кстати, он был первым американцем, избранным членом Петербургской академии наук (ныне Российской академии наук).

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

что я говорю и не верно, то, по крайней мере, мои слова предельно ясны, ибо я не 
хочу уподоблять ся некоторым ученым коллегам, которые прячут свою глупость 
в одежды греческого языка, затушевывают ее формулами или украшают сложной 
теорией».
Для других авторов доминантой остается максима отца современной физики 
как науки, основанной на наблюдении, Галилео Галилея* — «Математика является языком, на котором Бог написал Вселенную», и строгость изложения должна быть 
критерием качества.
Можно ли пройти между Сциллой и Харибдой – между двумя столь противоречивыми и категоричными суждениями и предложить читателю книгу, в которой 
были бы изложены основные концепции и совокупность экспериментальных данных, имеющих общее значение для самых различных веществ? Но при этом избежать чрезмерного формализма изложения, сохранив при этом строгость базовых 
понятий и ясность качественных суждений. Можно ли представить реологию как 
науку, которая бы была интересна и имела реальную ценность для физиков и для 
химиков, для студентов и для сложившихся исследователей, для теоретиков и для 
технологов? 
Наверное, нельзя.
Но ведь попытаться можно!
Настоящая монография задумана автором именно как такая попытка. Совершенно очевидно, что любой специалист легко найдет в изложении многочисленные лакуны (да и сам автор прекрасно их видит) и места, которые каждый 
специалист изложил бы совершенно иначе — подробнее и с другими акцентами. 
Ну что ж, попробуйте! Как говорили древние римляне**, «Я сделал все, что мог, кто 
может, пусть сделает лучше».
Но автор надеется, что большее внимание читателя привлекут не поиски 
того, чего в книге нет, а ее объективное содержание. Хотелось бы верить, что 
содержание книги поможет и студентам и всем исследователям, касающимся 
в своей работе проблем, в которых определенную роль играет реология, лучше 
понять эту интересную и перспективную для современной науки и практики 
область знаний. 
Автор навсегда остается благодарным своему учителю профессору Г. В. Виноградову (1910–1988) — основателю современной реологической школы в СССР 
(России), коллегам из лаборатории реологии полимеров Института нефтехимического синтеза РАН (зав. лаборатории, член-корр. РАН, проф. В. Г. Куличихин), с которыми он работал на протяжении более 50 лет, профессору 
А. Исаеву (A. Isayev, Acron University, USA), c которым он написал предыдущую 

* Галилео Галилей (1564–1642) — естествоиспытатель, автор многочисленных открытий 
и изобретений. Но что принципиально важнее, это был человек, который первым на заре Нового Времени принял современную парадигму научных знаний, поставив факт (эксперимент) 
выше схоластических рассуждений, основанных на авторитете. Это был человек, однажды сказавший: «Нет большей ненависти в мире, чем ненависть невежд к знанию», и это – правда!

**  «Feci quod potui, faciant meuora potentes» – "святая правда!" – эту ритуальную фразу произносил консул, передавая свою власть своему преемнику. 

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

монографию «Rheology: Concepts. Methods, and Application», выдержавшую три 
переиздания, — 2005, 2012, 2017 гг.). Именно она, в известной степени, явилась 
основанием настоящей книги, тем более что в ней содержатся многочисленные 
математические доказательства, результаты которых приводятся в настоящей 
книге. Особая благодарность А. В. Андрианову за бесценную помощь в подготовке рисунков для печати.

 
 
 
 
Доктор физ.-мат. наук, 
 профессор А. Я. Малкин

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

 












Определяйте слова, и половина споров станет ненужной.
Блез Паскаль

Любое описание, будь то явление природы или социальные события, основываются на модельном представлении. Модель — это феноменологическое описание, 
связывающее наиболее важные или характерные элементы явления и при этом 
пренебрегающее факторами, которые при построении этой модели кажутся менее значимыми. Баланс между наиболее значимыми и кажущимися не слишком 
важными факторами — это вопрос искусства выбора, который всегда неоднозначен, неточен и, возможно, ошибочен. Чем больше фактов описывает предлагаемая модель, тем она точнее и «лучше», но в то же время она оказывается более 
сложной. Более того, всегда может найтись такой неучтенный фактор, который 
в определенных обстоятельствах станет решающим и приведет к событиям, никак 
не отвечающим выбранной модели.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Поэтому принцип описания явлений с помощью моделей, являющийся универсальным, в действительности всегда оказывается ограниченным, и «мелкие» 
подробности, не учитываемые выбранной моделью, могут привести к неожиданным и даже катастрофическим последствиям.
Эти общие соображения в полной мере относятся к рассматриваемой теме – 
классификации реальных материалов по их свойствам. 
Все знают, что существуют твердые материалы и жидкости. Но все же такие 
твердые материалы, как металлы при различных технологических операциях 
(ковке, штамповке, гравировке, прокатке) подвергаются необратимым изменениям формы, т. е. текут, как любые жидкости. На рис. 1.1.1 изображен встречающийся на каждом шагу штампованный металлический диск, т. е. изделие, полученное 
благодаря необратимым деформациям (течению) металла.

Тем более это относится к глине – твердому материалу, из которого уже много 
веков тому назад мастера умели изготавливать изящные изделия сложной конфигурации, заставляя глину, как любую жидкость, необратимо изменять свою форму. 
Одно такое изделие – древнегреческая ваза – показано на рис. 1.1.2.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Зубная паста (рис. 1.1.3) – это высоковязкая жидкость, которой чистят зубы. 
Но вряд ли кому-нибудь удалось вернуть зубную пасту обратно в тюбик, так как 
это делают (что совсем не трудно), заливая в тюбик обычную жидкость – воду 
или масло.

И многочисленные пасты и крема ведут себя как жидкости, которые легко размазать по коже или другой поверхности. Это же относится к многочисленным пищевым продуктам – муссам, желе, крему (рис. 1.1.4), хорошему сливочному маслу, 
густой сметане, мороженому.
Эти пасты «не совсем» жидкости, но они и не твердые вещества?

Огромные силы и средства в быту и технике тратятся на транспорт твердых частиц различного типа, для чего из них создаются концентрированные суспензии. 
К материалам такого типа относятся стоки канализации, руда, транспортируемая 

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

в горных выработках, и т. д. Эти материалы прогоняют по трубам как жидкости. 
Естественно стремление повысить производительность транспорта такого вида, 
т. е. увеличить скорость. Все бы ничего, но при некоторой критической скорости 
они перестают течь и образуют твердообразную пробку, разрушить которую весьма 
сложно: твердые частицы агломерируются и забивают трубу, т. е. происходит переход из жидкого в твердообразное состояние (рис. 1.1.5).

Пробка

Особенно много проблем возникает с неоднозначностью оценки поведения 
полимерных материалов. Так, если измерять вязкость растворов или расплавов 
полимеров как любых других жидкостей, то оказывается, что измеренные значения сильно зависят от скорости течения, т. е. эти среды, конечно, жидкости, но 
какие-то «странные» – аномальные.
Хорошо известный и очень ценный полимерный материал политетрафторэтилен (фторопласт) – это твердый пластик, обладающий исключительной химической стойкостью. Поэтому возникает соблазн использовать этот материал 
для изготовления из него уплотнений для хранения вредных и опасных веществ 
(рис. 1.1.6). Обычно прокладка зажимается между гладкими поверхностями болтами. Вначале дело обстоит прекрасно. Но со временем прокладка перестает держать и возникает утечка. Почему? Оказывается, что фторопласт под давлением, 
созданным затяжкой прокладки, начинает «течь», и затяжка ослабевает. В результате твердый полимер ведет себя некоторым образом как жидкость.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

15

Еще один пример. Полимерные материалы часто используют для изготовления длинномерных профилей, например, такого, сечение которого показано на 
рис. 1.1.7, а. Такие изделия изготавливают, продавливая расплав полимера (жидкость) через профилирующую головку. Но если головку сделать точно в соответствии с размерами и формой профиля (рис. 1.1.7, б), то вместо правильного 
профиля получится некоторый «уродец» (рис. 1.1.7, в).

а)
б)
в)

Таким образом, оказывается, что расплав полимера ведет себя далеко не как 
«обычная» жидкость, поскольку существуют какие-то внутренние причины, по 
которым жидкость течет не так как ожидалось, изменяя форму потока.
Перечисленные выше примеры, как и многие другие, хорошо известны из результатов исследований и реальной технологической практики, указывают, что существует огромный пласт материалов и промежуточных состояний между твердым 
телом и жидкостью. Многие такие материалы часто объединяют под общим названием «мягкие среды» (soft matters), к которым относят суспензии и эмульсии, гели 
и многие полимерные жидкости. Но и совершенно твердые материалы, несомненно, обладают некоторыми характеристиками, свойственными, скорее, жидкостям. 
Например, колебания колокола, изготовленного из специально подобранного 
очень твердого материала, постепенно затухают, что объясняется потерями энергии на «внутреннее трение» или «внутреннюю вязкость», т. е. проявляется свойство, присущее жидкости. Можно вспомнить еще о жаропрочных сталях, которые 
при высоких температурах под действием внешних нагрузок медленно «ползут», 
т. е. их деформации развиваются во времени, что также свойственно жидкостям, 
а не классическим твердым телам, для которых существует однозначное соответствие между нагрузкой и формой изделия.
Таким образом, оказывается, что существует огромный мир явлений, промежуточных между поведением твердых тел и жидкостей. Более того, одни и те же 
материалы в разных ситуациях следует охарактеризовать как жидкообразные или 
твердообразные с переходом между этими типами поведения. Здесь важно подчеркнуть, что речь идет именно о поведении одного и того же материала в различных 
ситуациях, а не о его состоянии.
Все, что описано выше – это проявления реологических свойств материала (от греч. rheos – течение, поток). Явления, связанные с особенностями реологических свойств. наблюдаются для любых материалов. Но все же основным 
предметом исследования остаются среды, способные к течению. Поэтому в настоящей книге основное внимание будет уделено анализу свойств таких материалов, 

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru