پدیده اصطکاک داخلی (ویسکوزیته). اصطکاک

ویسکوزیته توانایی سیال برای مقاومت در برابر نیروهای برشی نامیده می شود. این خاصیت یک مایع تنها زمانی خود را نشان می دهد که حرکت کند. فرض کنید مقدار معینی از مایع بین دو صفحه موازی مسطح نامحدود محصور شده است (شکل 2.1). فاصله بین آنها است پ؛ سرعت حرکت صفحه بالایی نسبت به صفحه پایین υ است.

تجربه نشان می دهد که لایه مایع بلافاصله در مجاورت دیوار به آن می چسبد. بنابراین سرعت حرکت سیال مجاور دیواره پایین صفر و به دیواره بالایی – υ است. لایه های میانی با سرعتی حرکت می کنند که به تدریج از 0 به υ افزایش می یابد.

برنج. 2.1.

بنابراین بین لایه های مجاور تفاوت سرعت وجود دارد و لغزش متقابل لایه ها رخ می دهد که منجر به تجلی نیروی اصطکاک داخلی می شود.

برای جابجایی یک صفحه نسبت به صفحه دیگر، لازم است نیروی معینی G به صفحه متحرک، برابر با نیروی مقاومت سیال در نتیجه اصطکاک داخلی اعمال شود. نیوتن دریافت که این نیرو با سرعت متناسب است و، سطوح تماس اس و با فاصله بین صفحات نسبت عکس دارد n ، یعنی

که در آن μ ضریب تناسب نامیده می شود ویسکوزیته دینامیکی (یا ضریب ویسکوزیته دینامیکی).

برای روشن شدن بیشتر این وابستگی، باید به فاصله بینهایت کوچک بین لایه های مایع مربوط شود، سپس

که Δ υ سرعت نسبی حرکت لایه های همسایه است. Δ پ - فاصله بین آنها یا در حد

آخرین عبارت نشان می دهد قانون نیوتن برای اصطکاک داخلی. علامت مثبت یا منفی بسته به علامت گرادیان سرعت گرفته می شود dv/dn.

از آنجایی که τ = T/S تنش برشی مماسی وجود دارد، سپس قانون نیوتن را می توان شکل راحت تری ارائه داد:

تنش مماسی ایجاد شده در یک سیال متناسب با گرادیان سرعت در جهت عمود بر بردار سرعت و ناحیه ای است که در امتداد آن عمل می کند.

ضریب تناسب μ خصوصیات فیزیکی مایع را مشخص می کند و ویسکوزیته دینامیکی نامیده می شود. از فرمول نیوتن نتیجه می شود که

معنای فیزیکی ضریب p از این عبارت به دست می آید: اگر، پس μ = τ.

در هیدرودینامیک، کمیت

تماس گرفت اصطحکاک جنبشی (ضریب ویسکوزیته سینماتیکی).

ویسکوزیته دینامیکی μ با افزایش دما کاهش می یابد و با افزایش فشار افزایش می یابد. با این حال، تأثیر فشار برای ریختن مایعات ناچیز است. ویسکوزیته دینامیکی گازها با افزایش دما افزایش می یابد، اما با تغییر فشار فقط اندکی تغییر می کند.

قانون نیوتن برای اصطکاک داخلی در مایعات به طور قابل توجهی با قوانین اصطکاک در جامدات متفاوت است. در جامدات اصطکاک ساکن وجود دارد. علاوه بر این، نیروی اصطکاک متناسب با فشار معمولی است و بستگی کمی به سرعت نسبی حرکت دارد. در سیالی که از قانون نیوتن پیروی می کند، در غیاب سرعت نسبی حرکت لایه ها، نیروی اصطکاک وجود ندارد. نیروی اصطکاک به فشار (تنش معمولی) بستگی ندارد، بلکه به سرعت نسبی حرکت لایه ها بستگی دارد. مایعاتی که از قانون نیوتن پیروی می کنند نامیده می شوند نیوتنی. اما مایعاتی هستند که از این قانون تبعیت نمی کنند (مایعات غیرعادی). اینها شامل انواع مختلفی از امولسیون ها، محلول های کلوئیدی، که اجسام ناهمگن هستند که از دو فاز (جامد و مایع) تشکیل شده اند.

بنابراین، محلول های رسی مورد استفاده در حفاری چاه های نفت و برخی از انواع روغن ها از قانون نیوتن در نزدیکی نقطه ریزش خود تبعیت نمی کنند. آزمایشات نشان داده است که در چنین مایعاتی حرکت پس از رسیدن تنش های مماسی به مقدار معینی به نام انجام می شود تنش برشی اولیه

برای چنین مایعاتی، یک وابستگی کلی تر برای τ معتبر است (فرمول بینگهام):

که در آن τ0 تنش برشی اولیه است. η – ویسکوزیته ساختاری.

بنابراین، این مایعات در ولتاژ τ< τ0 ведут себя как твердые тела и начинают течь лишь при τ ≥ τ0. В дальнейшем градиент скорости пропорционален не т, а разнице τ -τ0.

از نظر گرافیکی، رابطه بین و τ با منحنی 1 برای مایعات نیوتنی و منحنی 2 برای مایعات غیرعادی نشان داده می شود (شکل 2.2).

برنج. 2.2. اعتیادdv/dn از تنش برشی

هنگامی که سیالات ساختاری از طریق یک خط لوله حرکت می کنند، سه حالت حرکت آنها مشاهده می شود: ساختاری، آرام، متلاطم.

ساختاری. برای شروع حرکت، یک افت فشار اولیه مشخص در خط لوله Δ مورد نیاز است آر 0، پس از آن مایع از دیواره ها جدا می شود و به عنوان یک کل (مانند یک جامد) شروع به حرکت می کند.

لامینار. با افزایش افت فشار Δ آر سرعت حرکت سیال افزایش می یابد و یک رژیم جریان آرام در نزدیکی دیوارها شروع به ایجاد می کند. با افزایش بیشتر سرعت، منطقه رژیم آرام گسترش می یابد، سپس رژیم ساختاری کاملاً به آرامی تبدیل می شود.

آشفته. با افزایش بیشتر سرعت، رژیم آرام متلاطم می شود (به بند 6.1 مراجعه کنید).

وابستگی ویسکوزیته به دما و فشار. ویسکومتر

ویسکوزیته یک مایع قطره تا حد زیادی به دما و تا حدی به فشار بستگی دارد. وابستگی ویسکوزیته به فشار در بیشتر موارد نادیده گرفته می شود. به عنوان مثال، در فشارهای 50-105 Pa، ویسکوزیته بیش از 8.5٪ تغییر نمی کند. استثنا آب در دمای 25 درجه سانتیگراد است - ویسکوزیته آن با افزایش فشار کمی کاهش می یابد. یکی دیگر از ویژگی های آب این است که چگالی آن با کاهش دما تا +4 درجه سانتی گراد افزایش می یابد و با کاهش بیشتر دما (از 4+ به 0 درجه سانتی گراد) کاهش می یابد. این واقعیت را توضیح می دهد که آب از سطح یخ می زند. در دمای حدود 0 درجه سانتیگراد، کمترین چگالی را دارد و لایه‌هایی از مایع با دمایی مشابه با سبک‌ترین دمای آن به سطح شناور می‌شوند، جایی که اگر دمای آن کمتر از 0 درجه سانتی‌گراد باشد، آب یخ می‌زند.

در فشار اتمسفر، ویسکوزیته آب بسته به دما با فرمول Poiseuille تعیین می شود.

جایی که v - اصطحکاک جنبشی؛ μ - ویسکوزیته دینامیکی؛ ρ چگالی آب در دمای معین است. تی - دمای آب.

ویسکوزیته یک مایع با استفاده از ابزارهایی به نام تعیین می شود ویسکومترها برای مایعات چسبناک تر از آب، از ویسکومتر انگلر استفاده می شود. این دستگاه از ظرفی با سوراخ تشکیل شده است که از طریق آن در دمای 20 درجه سانتی گراد زمان تخلیه آب مقطر مشخص می شود. تی 0 و مایع تی ، که ویسکوزیته آن باید مشخص شود. نسبت مقادیر تی و تی 0 تعداد درجات انگلر معمولی است:

پس از تعیین ویسکوزیته مایع در درجات انگلر معمولی، ویسکوزیته سینماتیکی (cm2/s) با استفاده از فرمول تجربی Ubellode بدست می‌آید.

مقادیر v به دست آمده با استفاده از این فرمول مطابقت خوبی با داده های تجربی دارد.

اصطکاک داخلی در یک مایع به دلیل برهمکنش مولکول ها رخ می دهد. بر خلاف اصطکاک خارجی که در نقطه تماس دو جسم اتفاق می افتد، اصطکاک داخلی در داخل یک محیط متحرک بین لایه ها با سرعت های متفاوت صورت می گیرد.

در سرعت های بالاتر از سرعت بحرانی، لایه های نزدیک به دیوارها به دلیل اصطکاک به طور قابل توجهی از لایه های متوسط ​​عقب می مانند و اختلاف سرعت قابل توجهی ایجاد می شود که مستلزم تشکیل گرداب ها است.

بنابراین، ویسکوزیته, یا اصطکاک داخلی در مایعات, نه تنها باعث از دست دادن انرژی به دلیل اصطکاک، بلکه تشکیلات جدید - گردابه ها می شود.

نیوتن ثابت کرد که نیروی ویسکوزیته یا اصطکاک داخلی باید با گرادیان سرعت (مقداری که نشان می دهد سرعت تغییر سرعت در هنگام حرکت از لایه ای به لایه دیگر در جهت عمود بر جهت حرکت لایه ها) و مساحت متناسب باشد. که بر روی آن عمل این نیرو تشخیص داده می شود. بنابراین به فرمول نیوتن می رسیم:

، (I.149)

جایی که - ضریب ویسکوزیته، یا اصطکاک داخلی، یک عدد ثابت که یک مایع یا گاز معین را مشخص می کند.

برای پی بردن به معنای فیزیکی، اجازه دهید فرمول (I.149) sec –1, m 2 را قرار دهیم. سپس به صورت عددی؛ از این رو، ضریب ویسکوزیته برابر با نیروی اصطکاک است, که در مایع بین دو ناحیه درمتر 2، اگر گرادیان سرعت بین آنها برابر با واحد باشد.

واحد SI ویسکوزیته دینامیکی = پاسکال ثانیه (Pa s).

(Pa s) برابر ویسکوزیته دینامیکی محیطی است که در آن، با جریان آرام و گرادیان سرعت با ماژول برابر با (m/s) در (m)، یک نیروی اصطکاک داخلی در (N) روی (m) ظاهر می شود. 2) سطح تماس لایه ها (Pa · s = N · s / m 2).

این واحد تا سال 1980 مجاز به استفاده بود: poise (P)، به نام دانشمند فرانسوی Poiseuille، که یکی از اولین (1842) بود که مطالعات دقیق ویسکوزیته را هنگامی که مایعات در لوله های نازک جریان می یابند (رابطه بین واحدهای ویسکوزیته دینامیکی: 1 P = 0.1 Pa s)

پوازوی، مشاهده حرکت مایعات در لوله های مویین استنباط شده است قانون ، به موجب آن:

، (I.150)

حجم مایعی که در طول زمان در لوله جریان دارد کجاست.

شعاع لوله (با دیواره های صاف)؛

اختلاف فشار در انتهای لوله؛

مدت زمان جریان سیال؛

طول لوله.

هرچه ویسکوزیته بیشتر باشد، نیروهای اصطکاک داخلی بیشتر در آن ایجاد می شود. ویسکوزیته به دما بستگی دارد و ماهیت این وابستگی برای مایعات و گازها متفاوت است:

q ویسکوزیته دینامیکی مایعات با افزایش دما به شدت کاهش می یابد.

q ویسکوزیته دینامیکی گازها با افزایش دما افزایش می یابد.

علاوه بر مفهوم ویسکوزیته دینامیکی، مفاهیم حجم معاملاتو اصطحکاک جنبشی.

سیالیتویسکوزیته متقابل ویسکوزیته دینامیکی نامیده می شود.

واحد سیالیت SI = m2 / (N s) = 1 / (Pa s).

اصطحکاک جنبشینسبت ویسکوزیته دینامیکی به چگالی محیط نامیده می شود.

واحد SI ویسکوزیته سینماتیک m2/s است.

تا سال 1980، واحد مجاز برای استفاده استوکس (St) بود. رابطه بین واحدهای ویسکوزیته سینماتیکی:

1 استوکس (St) = 10 –4 m 2 /s.

هنگامی که یک جسم کروی در یک مایع حرکت می کند، باید بر نیروی اصطکاک غلبه کند:

. (I.153)

فرمول (I.153) است قانون استوکس .

تعیین ویسکوزیته مایع با استفاده از ویسکومتر هوپلر بر اساس قانون استوکس است. یک توپ را در لوله ای با قطر معین پر از مایع پایین می آورند که ویسکوزیته آن باید مشخص شود و سرعت سقوط آن اندازه گیری می شود که اندازه گیری ویسکوزیته مایع است.

دانشمند انگلیسی O. Reynolds در سال 1883 در نتیجه تحقیقات خود به این نتیجه رسید که معیار مشخص کردن حرکت مایعات و گازها می تواند اعدادی باشد که توسط مجموعه ای بی بعد از کمیت های مربوط به یک مایع معین و حرکت داده شده آن تعیین می شود. . ترکیب این اعداد انتزاعی، اعداد نامیده می شود رینولدز، چنین.

اصطکاک داخلی من اصطکاک داخلی II اصطکاک داخلی

در جامدات، خاصیت جامدات برای تبدیل برگشت ناپذیر انرژی مکانیکی که در طی فرآیند تغییر شکل به بدن منتقل می شود، به گرما می باشد. ولتاژ با دو گروه مختلف از پدیده ها مرتبط است - عدم کشش و تغییر شکل پلاستیک.

عدم ارتجاع انحراف از ویژگی های کشسانی است که یک جسم تحت شرایطی تغییر شکل می دهد که عملاً تغییر شکل باقیمانده وجود ندارد. هنگام تغییر شکل با سرعت محدود، انحراف از تعادل حرارتی در بدن رخ می دهد. به عنوان مثال، هنگام خم کردن یک صفحه نازک یکنواخت گرم شده، که مواد آن هنگام گرم شدن منبسط می شود، الیاف کشیده شده خنک می شوند، الیاف فشرده گرم می شوند و در نتیجه اختلاف دمای عرضی ایجاد می شود، یعنی تغییر شکل الاستیک باعث نقض تعادل حرارتی می شود. یکسان سازی بعدی دما توسط هدایت حرارتی فرآیندی است که با انتقال غیرقابل برگشت بخشی از انرژی الاستیک به انرژی گرمایی همراه است. این میرایی تجربی مشاهده شده ارتعاشات خمشی آزاد صفحه را توضیح می دهد - به اصطلاح اثر Thermoelastic. این فرآیند بازگرداندن تعادل به هم خورده، آرامش نامیده می شود (به آرامش مراجعه کنید).

در طول تغییر شکل الاستیک یک آلیاژ با توزیع یکنواخت اتم های اجزای مختلف، ممکن است به دلیل تفاوت در اندازه آنها، توزیع مجدد اتم ها در ماده رخ دهد. بازیابی توزیع تعادلی اتم ها با انتشار (نگاه کنید به انتشار) نیز یک فرآیند آرام سازی است. تظاهرات خصوصیات غیر ارتجاعی، یا آرامش بخش، علاوه بر موارد ذکر شده، اثر کشسانی در فلزات و آلیاژهای خالص، هیسترزیس الاستیک و غیره است.

تغییر شکلی که در یک جسم الاستیک رخ می دهد نه تنها به نیروهای مکانیکی خارجی اعمال شده به آن بستگی دارد، بلکه به دمای بدن، ترکیب شیمیایی آن، میدان های مغناطیسی و الکتریکی خارجی (مغناطیسی و الکتریکی)، اندازه دانه و غیره نیز بستگی دارد. این منجر به انواع پدیده های آرامش می شود، که هر یک سهم خود را در W. t انجام می دهد، اگر چندین فرآیند آرام سازی به طور همزمان در بدن اتفاق بیفتد، که هر کدام را می توان با زمان آرامش خاص خود مشخص کرد (به Relaxation مراجعه کنید). من،سپس مجموع تمام زمان‌های آرامش فرآیندهای آرام‌سازی فردی به اصطلاح طیف آرامش یک ماده معین را تشکیل می‌دهد. برنج. ) مشخص کردن یک ماده معین در شرایط معین. هر تغییر ساختاری در نمونه باعث تغییر طیف آرامش می شود.

روش های زیر برای اندازه گیری ولتاژ استفاده می شود: مطالعه میرایی ارتعاشات آزاد (طولی، عرضی، پیچشی، خمشی). مطالعه منحنی رزونانس برای نوسانات اجباری (نگاه کنید به نوسانات اجباری). اتلاف نسبی انرژی الاستیک در طول یک دوره نوسان. مطالعه فیزیک حالت جامد یک رشته جدید و به سرعت در حال توسعه از فیزیک حالت جامد است و منبع اطلاعات مهمی در مورد فرآیندهایی است که در جامدات، به ویژه در فلزات خالص و آلیاژهایی که تحت عملیات های مکانیکی و حرارتی مختلف قرار گرفته اند، رخ می دهد.

V. t. در طول تغییر شکل پلاستیک. اگر نیروهای وارد بر یک جسم جامد از حد الاستیک فراتر رود و جریان پلاستیک رخ دهد، آنگاه می‌توانیم در مورد مقاومت شبه چسبناک در برابر جریان صحبت کنیم (به قیاس با یک سیال چسبناک). مکانیسم تنش بالا در طول تغییر شکل پلاستیک به طور قابل توجهی با مکانیسم ولتاژ بالا در هنگام عدم کشش متفاوت است (به Plasticity، Creep مراجعه کنید). تفاوت در مکانیسم های اتلاف انرژی همچنین تفاوت در مقادیر ویسکوزیته را تعیین می کند که با 5-7 مرتبه بزرگی متفاوت است (ویسکوزیته جریان پلاستیک که به مقادیر 10 13 -10 8 می رسد. n· ثانیه در متر 2، همیشه به طور قابل توجهی بالاتر از ویسکوزیته محاسبه شده از ارتعاشات الاستیک و برابر با 10 7 است. - 10 8 n· ثانیه در متر 2). با افزایش دامنه ارتعاشات الاستیک، قیچی های پلاستیکی نقش مهمی را در میرایی این ارتعاشات بازی می کنند و مقدار ویسکوزیته افزایش می یابد و به مقادیر ویسکوزیته پلاستیک نزدیک می شود.

روشن: Novik A.S.، اصطکاک داخلی در فلزات، در کتاب: پیشرفت در فیزیک فلزات. نشست مقالات، ترجمه از انگلیسی، قسمت 1، م.، 1956; Postnikov V.S.، پدیده های آرامش در فلزات و آلیاژهای تحت تغییر شکل، "Uspekhi Fizicheskikh Nauk"، 1954، v. 53، v. 1، ص. 87; او، وابستگی دمایی اصطکاک داخلی فلزات و آلیاژهای خالص، همان، 1958، جلد 66، قرن. 1، ص. 43.

دایره المعارف بزرگ شوروی. - م.: دایره المعارف شوروی. 1969-1978 .

ببینید «اصطکاک داخلی» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

1) خاصیت جامدات برای جذب برگشت ناپذیر انرژی مکانیکی دریافت شده توسط بدن در طول تغییر شکل آن. اصطکاک داخلی خود را نشان می دهد، به عنوان مثال، در میرایی ارتعاشات آزاد. 2) در مایعات و گازها، همان ویسکوزیته ... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

اصطکاک داخلی همان ویسکوزیته است... دایره المعارف مدرن

در جامدات، خاصیت جامدات به طور برگشت ناپذیری به گرمای مکانیکی تبدیل می شود. انرژی ای که در طی فرآیند تغییر شکل بدن به بدن منتقل می شود. V.t با دو متفاوت همراه است. گروهی از پدیده های غیر ارتجاعی و پلاستیسیته. تغییر شکل. عدم کشش نشان دهنده ... ... دایره المعارف فیزیکی- 1) خاصیت جامدات برای تبدیل برگشت ناپذیر انرژی مکانیکی دریافتی توسط بدن در هنگام تغییر شکل آن به گرما. اصطکاک داخلی خود را نشان می دهد، به عنوان مثال، در میرایی ارتعاشات آزاد. 2) در مایعات و گازها همان ویسکوزیته است. * * *…… فرهنگ لغت دایره المعارفی

اصطکاک داخلی اصطکاک داخلی. تبدیل انرژی به گرما تحت تأثیر تنش نوسانی یک ماده. (منبع: "فلزات و آلیاژها. دایرکتوری." ویرایش شده توسط Yu.P. Solntsev؛ NPO Professional، NPO Mir and Family؛ سنت پترزبورگ ... فرهنگ اصطلاحات متالورژی

ویسکوزیته (اصطکاک داخلی) یک ویژگی محلول است که مقاومت در برابر نیروهای خارجی را که باعث جریان آنها می شود مشخص می کند. (نگاه کنید به: SP 82 101 98. تهیه و استفاده از ملات های ساختمانی.)

اصطکاک داخلیدر جامدات - خاصیت جامدات برای تبدیل برگشت ناپذیر به گرمای مکانیکی. انرژی وارد شده به بدن در طی فرآیندهای تغییر شکل آن، همراه با نقض ترمودینامیک در آن. تعادل

ولتاژ یکی از ویژگی های غیر کشسان یا شل شدن است (نگاه کنید به. آرامش) که توسط نظریه ارتجاعی توصیف نشده اند. دومی مبتنی بر فرض پنهان شبه استاتیک است. ماهیت (سرعت بینهایت کوچک) تغییر شکل الاستیک، زمانی که ترمودینامیک در بدن تغییر شکل داده شده نقض نشود. تعادل در همان زمان، در kl. یک لحظه در زمان با مقدار تغییر شکل در همان لحظه تعیین می شود. برای حالت تنش خطی. بدنی که از این قانون پیروی می کند نامیده می شود. کاملا الاستیک، M0- ایستا بدنه ایده آل الاستیک مربوط به نوع تغییر شکل مورد نظر (کشش، پیچش). با دوره ای تغییر شکل یک جسم ایده آل الاستیک در همان فاز است.

هنگام تغییر شکل با سرعت محدود، انحراف از ترمودینامیکی در بدن رخ می دهد. تعادل، باعث آرامش مناسب می شود. فرآیندی (بازگشت به حالت تعادل)، همراه با اتلاف (اتلاف) انرژی الاستیک، یعنی انتقال برگشت ناپذیر آن به گرما. به عنوان مثال، هنگام خم کردن یک صفحه گرم شده یکنواخت، مواد با گرم شدن منبسط می شوند، الیاف کشیده سرد می شوند، الیاف فشرده گرم می شوند، در نتیجه یک گرادیان درجه حرارت عرضی ایجاد می شود، یعنی. تغییر شکل الاستیک باعث شکست می شود. یکسان سازی دما از طریق هدایت حرارتی نشان دهنده آرامش است. فرآیندی همراه با انتقال برگشت ناپذیر بخشی از انرژی الاستیک به انرژی حرارتی، که میرایی مشاهده شده تجربی ارتعاشات خمشی آزاد صفحه را توضیح می دهد. در طول تغییر شکل الاستیک یک آلیاژ با توزیع یکنواخت اتم‌های اجزاء، ممکن است به دلیل تفاوت در اندازه‌های آنها، توزیع مجدد اتم‌ها رخ دهد. بازیابی توزیع تعادل با نشان دادن آرامش. روند. تظاهرات خواص غیرکشسانی یا آرامش بخش، علاوه بر موارد ذکر شده، اثرات جانبی کشسانی در فلزات و آلیاژهای خالص است. هیسترزیس الاستیکو غیره.

تغییر شکلی که در یک جسم الاستیک رخ می دهد نه تنها توسط نیروهای مکانیکی خارجی اعمال شده به آن تعیین می شود. نیروها، بلکه تغییرات در دمای بدن، مواد شیمیایی آن است. ترکیب، آهنربای خارجی و برقی میدان ها (مغناطیسی و الکترواستریکشن)، اندازه دانه ها و غیره.

برنج. 1. طیف آرام سازی معمولی یک جامد در دمای اتاق مرتبط با فرآیندهای: من- توزیع ناهمسانگرد اتم های محلول تحت تأثیر تنش های خارجی. II- در لایه های مرزی دانه های پلی کریستال؛ III- در مرزهای بین دوقلوها؛ IV- انحلال اتم ها در آلیاژها؛ V- جریان های حرارتی عرضی؛ VI - جریان گرمای بین کریستالی.

این منجر به انواع گزینه های آرامش می شود. پدیده هایی که هر کدام سهم خاص خود را در V. t دارند اگر چندین آرامش در بدن به طور همزمان اتفاق بیفتد. فرآیندهایی که هر کدام را می‌توان با زمان استراحت خاص خود مشخص کرد، سپس مجموع تمام زمان‌های آرامش مشخص می‌شود. آرامش فرآیندهای به اصطلاح را تشکیل می دهد. آرامش طیف یک ماده معین (شکل 1)، که یک ماده معین را در شرایط معین مشخص می کند. هر تغییر ساختاری در نمونه با تغییر مشخصه در آرامش منعکس می شود. طیف

چند وجود دارد پدیدارشناختی تئوری‌های خواص غیرکشسان یا آرامش، که عبارتند از: الف) نظریه بولتزمن-ولترا در مورد اثر الاستیک، که به دنبال چنین ارتباطی بین تنش و تغییر شکل است که تاریخچه قبلی بدن تغییر شکل‌پذیر را منعکس می‌کند: جایی که نوع «عملکرد حافظه» ناشناخته باقی مانده است. ب) روش رئولوژی، مدل هایی که به روابطی مانند:

این تغییر شکل دیفرانسیل خطی وابستگی زمانی را مشخص می کند و مبنایی برای توصیف رفتار ویسکوالاستیک خطی یک جسم جامد است.

برنج. 2. مدل مکانیکی Vocht، متشکل از فنرهایی که به صورت موازی به هم متصل شده اند 1 و پیستون در سیلندر 2 پر از مایع چسبناک

برنج. 3. مدل ماکسول با اتصال فنر سری 1 بهپیستون در سیلندر 2 .

پدیده های توصیف شده توسط معادلات (1) به صورت مکانیکی مدل شده اند. و برقی نمودارهایی که نشان دهنده اتصال سریال و موازی الاستیک (چشمه ها) و چسبناک (پیستون در یک سیلندر با مایع چسبناک) یا ظروف و مقاومت های فعال است. نایب مدل های ساده: اتصال موازی عناصر، منجر به وابستگی (به اصطلاح بدن جامد Vocht - شکل 2) و متوالی. اتصال عناصر (به اصطلاح جسم جامد ماکسول - شکل 3). مسیری که دنبال شد. و اتصالات موازی چندین. مدل های Vocht و Maxwell با مقادیر مختلف سختی فنر و ضریب. مقاومت ویسکوز این امکان را به شما می دهد که روابط بین تنش ها و کرنش ها را در یک جسم ویسکوالاستیک به طور کاملاً دقیق توصیف کنید. ج) نظریه ای مبتنی بر ترمودینامیک حالت های غیرتعادلی، به ویژه در مورد یک آرامش. فرآیند منجر به تعمیم قانون هوک می شود:

جایی که ، a ثابت مادی است که ابعاد ویسکوزیته دارد، - . برای دوره ای تغییر شکل با چرخه فرکانس معلوم می شود: ، جایی که

یعنی با یک زاویه در فاز جابجا شده است:

جایی که - باصطلاح نقص ماژول، یا درجه آرامش کامل؛ ز) . تئوری ولتاژ بالا که بر اساس آن منبع ولتاژ بالا حرکت نابجایی ها است، به عنوان مثال کاهش ولتاژ بالا با وارد شدن ناخالصی ها را با این واقعیت توضیح می دهد که ناخالصی ها مانع حرکت نابجایی ها می شوند. این مقاومت در برابر حرکت نابجایی ها اغلب (به قیاس با ویسکوزیته مایعات) نامیده می شود. چسبناک مقاومت ولتاژ در مواد بسیار تغییر شکل یافته با ترمز متقابل نابجایی ها و غیره توضیح داده می شود. روش های زیر برای اندازه گیری مقاومت ولتاژ استفاده می شود: الف) مطالعه میرایی ارتعاشات آزاد (طولی، عرضی، پیچشی، خمشی). ب) مطالعه منحنی رزونانس برای موارد اجباری. ج) بررسی تضعیف یک پالس اولتراسونیک با طول موج. معیارهای ولتاژ بالا عبارتند از: الف) کاهش ارتعاش، جایی که تغییر فاز بین تنش و کرنش در طول ارتعاشات الاستیک، مقدار است. سشبیه برق مدار نوسانی؛ ج) اتلاف نسبی انرژی الاستیک در طول یک دوره نوسان. د) عرض، جایی که انحراف از فرکانس تشدید است، که در آن مربع دامنه نوسانات اجباری 2 برابر کاهش می یابد. تفاوت معیارهای V.T برای مقادیر کوچک میرایی () به یکدیگر مرتبط هستند:

برای حذف پلاستیک تغییر شکل، دامنه ارتعاش در طول اندازه‌گیری باید آنقدر کوچک باشد که س -1به او وابسته نبود

با تغییر فرکانس چرخه ای می توان طیف آرامش را به دست آورد. نوسانات و دما در صورت عدم وجود فرآیندهای آرام سازی در محدوده دمایی مورد مطالعه، دمای فعلی به طور یکنواخت افزایش می یابد و اگر چنین فرآیندی اتفاق بیفتد، حداکثر (پیک) دمای فعلی در منحنی وابستگی به دما در دمایی ظاهر می شود که اچانرژی فعال سازی آرامش فرآیند، - ثابت مواد، - چرخه ای. فرکانس نوسان

با استفاده از روش ارتعاشات پیچشی آزاد با دامنه کوچک و فرکانس پایین، می توان پارامترهای حلالیت و انتشار اتم های تشکیل دهنده محلول های جامد بین بافتی، تبدیل فاز، سینتیک و انرژی را بررسی کرد. ویژگی های تجزیه محلول های جامد فوق اشباع، و غیره. الکترون های رسانای شبکه (). مطالعه خواص الکتریکی جامدات منبع اطلاعاتی در مورد حالات و فرآیندهایی است که در جامدات، به ویژه در فلزات و آلیاژهای خالصی که در معرض شرایط قطعی قرار گرفته‌اند، به وجود می‌آیند. مکانیکی

و عملیات حرارتیروشن شد اصطکاک داخلیدر فلزات، ویرایش دوم، M.، 1974; آکوستیک فیزیکی، ویرایش. دبلیو میسون، ترجمه. از زبان انگلیسی، جلد 3، قسمت A - تأثیر عیوب بر خواص جامدات، M., 1969; Novik A.S.، Berry B.، پدیده های آرامش در کریستال ها، ترجمه. از انگلیسی، M.، 1975.

B. N. Finkelshtein.

اصطکاک داخلی در جامدات می تواند توسط چندین مکانیسم مختلف ایجاد شود، و اگرچه همه آنها در نهایت منجر به تبدیل انرژی مکانیکی به گرما می شوند،

مکانیسم ها شامل دو فرآیند اتلاف متفاوت است. این دو فرآیند، به طور کلی، مشابه تلفات ویسکوز و تلفات ناشی از هدایت حرارتی در طول انتشار امواج صوتی در مایعات هستند.

نوع اول فرآیند مستقیماً به رفتار غیرکشسانی بدن بستگی دارد. اگر منحنی تنش-کرنش برای یک چرخه ارتعاش منفرد به شکل یک حلقه پسماند باشد، آن‌گاه ناحیه موجود در این حلقه نشان‌دهنده انرژی مکانیکی است که به شکل گرما از دست می‌رود. هنگامی که یک نمونه تحت یک چرخه تنش بسته "استاتیک" قرار می گیرد، مقدار معینی از انرژی تلف می شود و این تلفات بخشی از اتلاف خاص ناشی از ارتعاش نمونه را نشان می دهد. همانطور که جمانت و جکسون نشان دادند، حتی در مواردی که حلقه پسماند آنقدر باریک است که نمی توان آن را به صورت ایستا اندازه گیری کرد، تأثیر قابل توجهی بر میرایی نوسانات دارد، زیرا در آزمایش نوسان، نمونه می تواند تعداد زیادی پسماند بسته را انجام دهد. چرخه ها اتلاف انرژی در هر چرخه ثابت است، بنابراین اتلاف خاص و در نتیجه کاهش لگاریتمی به فرکانس بستگی ندارد. جمانت و جکسون دریافتند که برای بسیاری از مواد کاهش لگاریتمی در یک محدوده فرکانسی نسبتاً وسیع ثابت است و نتیجه گرفتند که علت اصلی اصطکاک داخلی در این موارد ممکن است صرفاً به دلیل غیرخطی بودن "ایستا" رابطه تنش-کرنش باشد. مواد. نتایج مشابهی توسط Wegel و Walter در فرکانس های بالا به دست آمد.

علاوه بر پسماند استاتیکی، بسیاری از مواد تلفات مرتبط با تغییرات سرعت را که در طول ارتعاش رخ می‌دهد، نشان می‌دهند و نیروهایی که این تلفات را ایجاد می‌کنند می‌توانند ماهیت ویسکوزیته در نظر بگیرند. همانطور که دیدیم، وجود چنین نیروهایی به این معنی است که رفتار مکانیکی به نرخ کرنش بستگی دارد. این اثر به ویژه در پلیمرهای آلی با زنجیره های مولکولی بلند مشاهده می شود. موضوع رئولوژی عمدتاً این نوع وابستگی زمانی است.

می توان دو نوع تلفات ویسکوز را در جامدات تشخیص داد که از نظر کیفی با رفتار مدل های Maxwell و Vocht که در پاراگراف های قبلی توضیح داده شد مطابقت دارد. بنابراین، وقتی بار ثابت نگه داشته می‌شود، می‌تواند منجر به تغییر شکل برگشت‌ناپذیر شود، مانند مدل ماکسول، یا تغییر شکل می‌تواند به طور مجانبی به مقداری ثابت در طول زمان تمایل پیدا کند و با برداشتن بار به آرامی ناپدید شود، همانطور که در مدل Vocht اتفاق می‌افتد. نوع دوم ویسکوزیته گاهی اوقات ویسکوزیته داخلی نامیده می شود و رفتار مکانیکی چنین اجسامی به عنوان کشسانی عقب افتاده نامیده می شود.

تفسیر اثرات ویسکوزیته در جامدات در مقیاس مولکولی کاملاً واضح نیست، عمدتاً به دلیل انواع فرآیندهای میکروسکوپی که منجر به اتلاف مکانیکی می شود.

انرژی به شکل گرما هنوز تا حد زیادی در قلمرو حدس و گمان است. توبولسکی، پاول و ارینگ و آلفری رفتار ویسکوالاستیک را با استفاده از نظریه فرآیند نرخ مطالعه کردند. این رویکرد این فرض را ایجاد می‌کند که هر مولکول (یا هر پیوند در یک زنجیره مولکولی در مورد پلیمرهای با زنجیره‌های مولکولی بلند) در یک «چاه انرژی» که توسط همسایگانش تشکیل شده است، تحت ارتعاشات حرارتی قرار می‌گیرد. در نتیجه نوسانات حرارتی، هر از گاهی انرژی کافی برای خروج یک مولکول از چاه ظاهر می شود و در حضور نیروهای خارجی، انتشار در همه جهات یکسان صورت می گیرد. سرعت انتشار به احتمال اینکه مولکول انرژی کافی برای فرار از چاه دریافت کند و در نتیجه به دمای مطلق بدن بستگی دارد. اگر فشار هیدرواستاتیک به جسمی اعمال شود، ارتفاع چاه انرژی تغییر می کند، سرعت انتشار متفاوت می شود، اما در همه جهات یکسان می ماند. تحت کشش تک محوری، ارتفاع چاه در جهت تنش کششی کمتر از جهت عمود بر آن می شود. بنابراین، مولکول ها بیشتر به موازات تنش کششی منتشر می شوند تا در جهت عمود بر آن. این جریان منجر به تبدیل انرژی الاستیک انباشته شده توسط بدن به حرکت حرارتی تصادفی می شود که در مقیاس ماکروسکوپی به عنوان اصطکاک داخلی درک می شود. جایی که مولکول ها به طور کلی حرکت می کنند، جریان برگشت ناپذیر خواهد بود و رفتار مشابه مدل ماکسول خواهد بود، در حالی که در جایی که پیوندهای مولکولی در هم پیچیده هستند، ماده مانند مدل Vocht رفتار می کند و خاصیت ارتجاعی تاخیری از خود نشان می دهد.

اگر مفروضات خاصی در مورد شکل چاه انرژی پتانسیل و ماهیت گروه های مولکولی که در آن ارتعاش می کنند وجود داشته باشد، می توان نشان داد (توبولسکی، پاول، ارینگ، ص 125) که این نظریه منجر به رفتار مکانیکی چاه می شود. بدنه ای مشابه آنچه در مدل های فنری که قبلاً در این فصل مورد بحث قرار گرفت. این تفسیر از موضوع بر وابستگی خواص ویسکوالاستیک به دما تأکید دارد. روابط ترمودینامیکی را می توان از این وابستگی به دست آورد. عیب اصلی در به کارگیری این نظریه برای اجسام واقعی به معنای کمی این است که ماهیت چاه بالقوه برای اجسام تا حد زیادی یک حدس و گمان است و اغلب چندین فرآیند مختلف می توانند به طور همزمان رخ دهند. با این حال، این هنوز تقریباً تنها رویکرد جدی برای توضیح مولکولی اثرات مشاهده شده است، و مبنای قابل اعتمادی برای توسعه آینده فراهم می کند.

تلفات در اجسام غیر فلزی همگن عمدتاً به همان روشی که در بالا توضیح داده شد رخ می دهد و اصطکاک داخلی به رفتار غیر کشسان ماده مربوط می شود تا خواص حرارتی ماکروسکوپیک آن. در فلزات، با این حال، وجود دارد

تلفات ماهیت حرارتی، که به طور کلی قابل توجه تر هستند، و زنر چندین مکانیسم حرارتی مختلف را در نظر گرفت که منجر به اتلاف انرژی مکانیکی به شکل گرما می شود.

تغییرات در حجم بدن باید با تغییرات دما همراه باشد. بنابراین، هنگامی که یک بدن منقبض می شود، دمای آن افزایش می یابد و زمانی که منبسط می شود، دمای آن کاهش می یابد. برای سادگی، ارتعاشات خمشی صفحه کنسول (زبان) را در نظر خواهیم گرفت. هر بار که زبان خم می‌شود، داخل آن گرم می‌شود و بیرون سرد می‌شود، به‌طوری‌که در حین نوسان، گرما در سراسر زبان جریان دارد. اگر حرکت بسیار کند باشد، انتقال حرارت همدما و در نتیجه برگشت پذیر است و بنابراین در فرکانس های نوسان بسیار کم نباید تلفاتی رخ دهد. اگر نوسانات آنقدر سریع اتفاق بیفتد که گرما زمان عبور از زبان را نداشته باشد، شرایط آدیاباتیک می شود و باز هم هیچ تلفاتی رخ نمی دهد. در طول ارتعاشات خمشی، که دوره های آن با زمان لازم برای جریان گرما در زبان قابل مقایسه است، تبدیل غیرقابل برگشت انرژی مکانیکی به گرما رخ می دهد که به شکل اصطکاک داخلی مشاهده می شود. زنر نشان داد که برای یک نی در حال ارتعاش، پراکندگی خاص با داده می شود

و - مقادیر آدیاباتیک و همدما مدول یانگ ماده - فرکانس ارتعاش - فرکانس آرامش که برای یک زبانه با مقطع مستطیل شکل بیان می شود.

در اینجا K هدایت حرارتی، گرمای ویژه در فشار ثابت، چگالی، ضخامت نی در صفحه ارتعاش است.

بننویتز و روتگر اصطکاک درونی زبان‌های نقره‌ای آلمانی را در طول ارتعاشات عرضی اندازه‌گیری کردند. نتایج آزمایشات آنها در شکل نشان داده شده است. 29 به همراه منحنی نظری به دست آمده با استفاده از رابطه (5.60). در ساخت این منحنی از هیچ پارامتر دلخواه استفاده نشده است و تطابق بین تئوری و آزمایش بسیار خوب است. واضح است که در ناحیه فرکانس اطراف (تقریبا 10 هرتز) هدایت حرارتی در نی عامل اصلی اصطکاک داخلی است. همچنین می توان مشاهده کرد که در فرکانس های دور از مقادیر تجربی، مقادیر اصطکاک داخلی بالاتر از موارد پیش بینی شده توسط تئوری است و این نشان می دهد که تأثیرات دیگر در اینجا اهمیت نسبی بیشتری پیدا می کنند. تنش طولی خواهد بود

اثرات مشابهی ایجاد می کند، زیرا بخشی از نمونه فشرده می شود در حالی که دیگری کشیده می شود، در این صورت جریان گرما موازی با جهت انتشار است. از آنجایی که فاصله بین نواحی فشرده سازی و نادری در این حالت برابر با نصف طول موج است، تلفات ناشی از این دلیل در فرکانس های معمولی اندک خواهد بود.

شکل. 29. مقایسه مقادیر اصطکاک داخلی صفحات نقره آلمانی در هنگام ارتعاشات عرضی، اندازه گیری شده توسط Bennewitz و Roetger و به دست آمده از روابط نظری Zener.

نوع توصیف شده از دست دادن گرما صرف نظر از اینکه بدن همگن است یا نه اتفاق می افتد. اگر ماده ناهمگن باشد، مکانیسم های اضافی وجود دارد که منجر به تلفات حرارتی می شود. بنابراین، در یک ماده چند کریستالی، دانه‌های همسایه می‌توانند جهت کریستالوگرافی متفاوتی نسبت به جهت تغییر شکل داشته باشند و در نتیجه، هنگام تغییر شکل نمونه، تنش‌هایی با بزرگی‌های متفاوت دریافت کنند. بنابراین، دما از کریستالیتی به کریستالیت دیگر متفاوت خواهد بود، در نتیجه جریان‌های حرارتی دقیقه‌ای در سراسر مرز دانه‌ها رخ می‌دهد. مانند تلفات ناشی از رسانش در طول نوسانات کنسول، زمانی که تغییر شکل ها به آرامی رخ می دهند که تغییرات حجمی به صورت همدما و بدون اتلاف انرژی رخ می دهد، حد فرکانس پایین تری وجود دارد، و همچنین زمانی که تغییر شکل ها به صورت آدیاباتیک رخ می دهند، حد فرکانس بالایی وجود دارد. باز هم ضرری رخ نمی دهد بیشترین تلفات زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس اعمال شده برخورد می‌کند

بین این دو حد؛ مقدار این فرکانس به اندازه دانه کریستال و هدایت حرارتی محیط بستگی دارد. زنر عبارتی را برای فرکانسی که تلفات از این نوع حداکثر است، به دست آورد. این معادله مشابه (5.61) و دارای شکل است

که در آن a میانگین اندازه دانه خطی است.

راندال، رز و زنر اصطکاک داخلی را در نمونه‌های برنجی با اندازه‌های دانه‌های مختلف اندازه‌گیری کردند و دریافتند که در فرکانس‌های مورد استفاده، حداکثر میرایی زمانی رخ می‌دهد که اندازه دانه بسیار نزدیک به معادله (5.62) باشد. مقدار اصطکاک داخلی ناشی از این جریان های حرارتی میکروسکوپی به نوع ساختار بلوری و همچنین به اندازه دانه بستگی دارد و با افزایش ناهمسانگردی الاستیک کریستالیت های منفرد افزایش می یابد. زنر (صص 89-90) پیشنهاد کرد که در فرکانس های بسیار بالا، جریان گرما تقریباً به طور کامل به مجاورت مرز دانه محدود می شود. این منجر به رابطه ای می شود که بر اساس آن پراکندگی خاص با جذر فرکانس نوسان متناسب است. این نتیجه به صورت تجربی برای برنج توسط راندال، رز و زنر تأیید شد. از سوی دیگر، در فرکانس‌های بسیار پایین، جریان گرما در سراسر ماده رخ می‌دهد. از این رو رابطه ای به دست می آید که بر اساس آن اصطکاک داخلی با توان اول فرکانس متناسب است. نتایج تجربی زنر و راندال با این نتیجه گیری مطابقت دارد.

دو نوع دیگر از اتلاف حرارت وجود دارد که باید به آنها اشاره کرد. اولین مورد با اتلاف گرما به هوای اطراف همراه است. با این حال، نرخ تلفات به این دلیل آنقدر کم است که فقط در فرکانس‌های نوسان بسیار پایین تأثیر می‌گذارد. نوع دیگری از تلفات ممکن است ناشی از عدم تعادل حرارتی بین حالت‌های عادی Debye باشد. این تلفات مشابه میرایی امواج فراصوت در گازها است که ناشی از زمان محدود مورد نیاز برای توزیع مجدد انرژی حرارتی بین درجات مختلف آزادی مولکول‌های گاز است. با این حال، در جامدات تعادل بین حالت های مختلف ارتعاش به سرعت برقرار می شود که انتظار می رود اصطکاک داخلی ناشی از چنین علتی فقط در فرکانس های مرتبه 1000 مگاهرتز قابل توجه باشد. نظریه پدیده توصیف شده در بالا توسط لاندو و رومر و بعدها توسط گورویچ مورد توجه قرار گرفت.

برای فلزات چند کریستالی، او اصطکاک داخلی ناشی از "لغزش چسبناک" در مرزهای کریستال را مطالعه کرد. او آزمایشاتی را بر روی میرایی ارتعاشات پیچشی در آلومینیوم خالص انجام داد و نشان داد که اصطکاک داخلی در این مورد

با این فرض که فلز در مرزهای کریستال به صورت چسبناک رفتار می کند، می توان با دقت محاسبه کرد.

دو فرآیند دیگر وجود دارد که در اجسام کریستالی در طول تغییر شکل آنها رخ می دهد که می تواند منجر به اصطکاک داخلی شود. اولین مورد از اینها حرکت نواحی بی نظمی در کریستال ها است که به آنها نابجایی می گویند. فرآیند دوم ترتیب اتم های محلول در هنگام اعمال ولتاژ است. مورد دوم در مواردی رخ می دهد که ناخالصی های حل شده در شبکه کریستالی وجود دارد. نقش نابجایی ها در تغییر شکل پلاستیک کریستال ها برای اولین بار توسط Oroven، Palaney و Taylor مورد توجه قرار گرفت، و اگرچه به نظر محتمل است که حرکت این نابجایی ها اغلب ممکن است علت مهمی برای اصطکاک داخلی به خصوص در کرنش های بزرگ باشد، مکانیسم دقیق آن انرژی الاستیک تلف شده در حال حاضر نامشخص است (به برادفیلد مراجعه کنید). تأثیر ناخالصی های حل شده در شبکه کریستالی بر اصطکاک داخلی ابتدا توسط گورسکی و بعداً توسط اسنوک مورد توجه قرار گرفت. دلیل اینکه وجود چنین اتم های محلول منجر به اصطکاک داخلی می شود این است که توزیع تعادل آنها در کریستال تحت تنش با توزیع تعادل زمانی که کریستال بدون تنش است متفاوت است. هنگامی که تنش اعمال می شود، ایجاد یک تعادل جدید زمان می برد، به طوری که تغییر شکل از تنش عقب می ماند. این یک فرآیند آرام سازی را معرفی می کند که نقش مهمی برای تنش های نوسانی دارد که دوره آن با زمان آرامش قابل مقایسه است. سرعت برقراری تعادل به طور قابل توجهی به دما بستگی دارد، بنابراین این نوع اصطکاک داخلی باید به دما بسیار حساس باشد.

مورد خاصی از اصطکاک داخلی در مواد فرومغناطیسی کشف شده است. بکر و دورینگ بررسی جامعی از مطالعات تجربی و نظری برای موادی از این نوع در مورد مسئله مهم کاربرد اثر مغناطیسی در تحریک فراصوت ارائه کردند. مشخص شده است که اصطکاک داخلی در مواد فرومغناطیسی بسیار بیشتر از سایر فلزات است و هنگامی که آنها مغناطیسی شوند افزایش می یابد. همچنین با رسیدن به نقطه کوری به سرعت با دما افزایش می یابد.

مکانیزمی که امواج تنش را در جامدات ضعیف می کند، اما به طور دقیق اصطکاک داخلی نیست، اتلاف است. این پدیده در فلزات پلی کریستالی زمانی رخ می دهد که طول موج با اندازه دانه قابل مقایسه باشد. Meson و McSkimin اثر پراکندگی را در میله های آلومینیومی اندازه گیری کردند و نشان دادند که وقتی طول موج با اندازه دانه قابل مقایسه باشد، میرایی با توان چهارم طول موج نسبت معکوس دارد. این وابستگی مصادف است با وابستگی که رایلی (جلد دوم، ص 194) برای پراکندگی صدا در گازها ارائه کرده است.