Fenomena gesekan internal (viskositas). Gesekan

Viskositas disebut kemampuan suatu fluida untuk menahan gaya geser. Sifat zat cair ini hanya muncul ketika ia bergerak. Mari kita asumsikan bahwa sejumlah cairan diapit di antara dua pelat datar sejajar tak terbatas (Gbr. 2.1); jarak antara keduanya adalah P; kecepatan gerak pelat atas relatif terhadap pelat bawah adalah υ.

Pengalaman menunjukkan bahwa lapisan cairan yang berbatasan langsung dengan dinding menempel padanya. Oleh karena itu kecepatan pergerakan zat cair yang berdekatan dengan dinding bawah adalah nol, dan ke dinding atas – υ. Lapisan perantara bergerak dengan kecepatan yang meningkat secara bertahap dari 0 ke υ.

Beras. 2.1.

Jadi, ada perbedaan kecepatan antara lapisan yang berdekatan, dan terjadi saling geser lapisan, yang mengarah pada manifestasi gaya gesekan internal.

Untuk menggerakkan satu pelat relatif terhadap pelat lainnya, perlu diterapkan gaya tertentu G pada pelat yang bergerak, sama dengan gaya hambatan fluida akibat gesekan internal. Newton menemukan bahwa gaya ini sebanding dengan kecepatan Dan, permukaan kontak S dan berbanding terbalik dengan jarak antar lempeng N , yaitu

di mana μ adalah koefisien proporsionalitas, disebut viskositas dinamis (atau koefisien viskositas dinamis).

Untuk lebih memperjelas ketergantungan ini, maka harus dikaitkan dengan jarak yang sangat kecil antara lapisan-lapisan cairan

di mana Δ υ adalah kecepatan relatif pergerakan lapisan yang berdekatan; Δ P - jarak di antara mereka. Atau pada batasnya

Ekspresi terakhir mewakili Hukum Newton untuk gesekan internal. Tanda plus atau minus diambil tergantung pada tanda gradien kecepatan dv/dn.

Sejak τ = T/S ada tegangan geser tangensial, maka hukum Newton dapat diberikan bentuk yang lebih mudah:

Tegangan tangensial yang timbul dalam suatu fluida sebanding dengan gradien kecepatan dalam arah tegak lurus terhadap vektor kecepatan dan luas daerah sepanjang aksinya.

Koefisien proporsionalitas µ mencirikan sifat fisik cairan dan disebut viskositas dinamis. Dari rumus Newton berikut ini

Arti fisis dari koefisien p mengikuti ungkapan ini: jika , maka µ = τ.

Dalam hidrodinamika, kuantitas

ditelepon viskositas kinematik (koefisien viskositas kinematik).

Viskositas dinamis µ berkurang dengan meningkatnya suhu, dan meningkat dengan meningkatnya tekanan. Namun, pengaruh tekanan terhadap jatuhnya cairan dapat diabaikan. Viskositas dinamis gas meningkat seiring dengan peningkatan suhu, namun hanya sedikit berubah seiring dengan perubahan tekanan.

Hukum Newton tentang gesekan dalam pada zat cair sangat berbeda dengan hukum gesekan pada benda padat. Pada benda padat terdapat gesekan statis. Selain itu, gaya gesekan sebanding dengan tekanan normal dan sedikit bergantung pada kecepatan relatif gerakan. Dalam fluida yang mematuhi hukum Newton, tanpa adanya kecepatan relatif pergerakan lapisan, tidak ada gaya gesekan. Gaya gesekan tidak bergantung pada tekanan (tegangan normal), tetapi bergantung pada kecepatan relatif pergerakan lapisan. Zat cair yang mematuhi hukum Newton disebut Newton. Namun ada pula zat cair yang tidak mematuhi hukum ini (cairan anomali). Ini termasuk berbagai jenis emulsi, larutan koloid, yang merupakan benda heterogen yang terdiri dari dua fase (padat dan cair).

Oleh karena itu, larutan tanah liat yang digunakan dalam pengeboran sumur minyak dan beberapa jenis minyak tidak mematuhi hukum Newton di dekat titik tuangnya. Eksperimen telah menetapkan bahwa dalam cairan seperti itu, pergerakan terjadi setelah tegangan tangensial mencapai nilai tertentu yang disebut tegangan geser awal.

Untuk cairan seperti itu, ketergantungan yang lebih umum untuk τ adalah valid (rumus Bingham):

dimana τ0 adalah tegangan geser awal; η – viskositas struktural.

Jadi, cairan ini pada tegangan 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.

Secara grafis, hubungan antara dan τ digambarkan oleh kurva 1 untuk cairan Newton dan kurva 2 untuk cairan anomali (Gbr. 2.2).

Beras. 2.2. Kecanduandv/dn dari tegangan geser

Ketika fluida struktural bergerak melalui pipa, tiga mode pergerakannya diamati: struktural, laminar, turbulen.

Struktural. Untuk memulai pergerakan, diperlukan penurunan tekanan awal tertentu dalam pipa Δ R 0, setelah itu cairan terpisah dari dinding dan mulai bergerak sebagai satu kesatuan (seperti benda padat).

Laminasi. Dengan meningkatnya penurunan tekanan Δ R kecepatan pergerakan fluida akan meningkat dan pola aliran laminar akan mulai berkembang di dekat dinding. Ketika kecepatan semakin meningkat, wilayah rezim laminar akan meluas, kemudian rezim struktural berubah sepenuhnya menjadi laminar.

Bergolak. Dengan peningkatan kecepatan lebih lanjut, rezim laminar menjadi turbulen (lihat paragraf 6.1).

Ketergantungan viskositas pada suhu dan tekanan. Viskometer

Viskositas cairan tetesan sangat bergantung pada suhu dan, pada tingkat lebih rendah, pada tekanan. Ketergantungan viskositas pada tekanan dalam banyak kasus diabaikan. Misalnya, pada tekanan hingga 50–105 Pa, viskositas berubah tidak lebih dari 8,5%. Pengecualiannya adalah air pada suhu 25°C - viskositasnya sedikit menurun dengan meningkatnya tekanan. Ciri lain air adalah kepadatannya meningkat seiring dengan penurunan suhu hingga +4°C, dan dengan penurunan suhu lebih lanjut (dari +4 menjadi 0°C) maka kepadatannya menurun. Hal ini menjelaskan fakta bahwa air membeku dari permukaan. Pada suhu sekitar 0°C, ia memiliki massa jenis paling rendah, dan lapisan cairan yang memiliki suhu sama dengan suhu paling ringan akan mengapung ke permukaan, dan air akan membeku jika suhunya kurang dari 0°C.

Pada tekanan atmosfer, viskositas air bergantung pada suhu ditentukan oleh rumus Poiseuille

Di mana ay – viskositas kinematik; µ – viskositas dinamis; ρ adalah massa jenis air pada suhu tertentu; T - suhu air.

Viskositas suatu zat cair ditentukan dengan menggunakan alat yang disebut viskometer. Untuk cairan yang lebih kental dari air, digunakan viskometer Engler. Alat ini terdiri dari wadah berlubang yang pada suhu 20°C ditentukan waktu pengurasan air suling. T 0 dan cair T , yang viskositasnya perlu ditentukan. Rasio kuantitas T Dan T 0 adalah jumlah derajat Engler konvensional:

Setelah menentukan viskositas cairan dalam derajat Engler konvensional, viskositas kinematik (cm2/s) ditemukan menggunakan rumus empiris Ubellode

Nilai v yang diperoleh dengan menggunakan rumus ini sesuai dengan data eksperimen.

Gesekan internal terjadi pada zat cair karena interaksi molekul. Berbeda dengan gesekan luar yang terjadi pada titik kontak dua benda, gesekan dalam terjadi di dalam media yang bergerak antar lapisan dengan kecepatan berbeda.

Pada kecepatan di atas kecepatan kritis, lapisan yang dekat dengan dinding terasa tertinggal di belakang rata-rata karena gesekan, timbul perbedaan kecepatan yang signifikan, yang memerlukan pembentukan pusaran.

Jadi, viskositas, atau gesekan internal dalam cairan, menyebabkan tidak hanya hilangnya energi akibat gesekan, tetapi juga formasi baru - pusaran.

Newton menetapkan bahwa gaya viskositas, atau gesekan internal, harus sebanding dengan gradien kecepatan (nilai yang menunjukkan seberapa cepat kecepatan berubah ketika berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya dalam arah tegak lurus terhadap arah pergerakan lapisan) dan luasnya. di mana aksi gaya ini terdeteksi. Jadi, kita sampai pada rumus Newton:

, (I.149)

Di mana - koefisien viskositas, atau friksi internal, bilangan konstan yang mencirikan cairan atau gas tertentu.

Untuk mengetahui arti fisisnya, mari kita masukkan ke dalam rumus (I.149) detik –1, m 2; lalu secara numerik; karena itu, koefisien viskositas sama dengan gaya gesekan, yang terjadi dalam zat cair antara dua daerah di dalamnya m 2, jika gradien kecepatan di antara keduanya sama dengan satu.

Satuan SI untuk viskositas dinamis = pascal sekon (Pa s).

(Pa s) sama dengan viskositas dinamis medium di mana, dengan aliran laminar dan gradien kecepatan dengan modulus sama dengan (m/s) per (m), gaya gesekan internal dalam (N) muncul pada (m 2) permukaan kontak lapisan (Pa · s = N · s/m 2).

Satuan yang diperbolehkan untuk digunakan hingga tahun 1980: poise (P), dinamai menurut ilmuwan Perancis Poiseuille, yang merupakan salah satu orang pertama (1842) yang memulai studi tepat tentang viskositas ketika cairan mengalir dalam tabung tipis (hubungan antara satuan viskositas dinamis: 1 P = 0,1 Pa s)

Ketenangan, mengamati pergerakan zat cair dalam pipa kapiler, menyimpulkan hukum , Dimana:

, (I.150)

dimana volume cairan yang mengalir melalui tabung selama waktu tertentu;

Jari-jari tabung (dengan dinding halus);

Perbedaan tekanan di ujung tabung;

Durasi aliran fluida;

Panjang tabung.

Semakin besar viskositas maka semakin besar gaya gesekan internal yang timbul di dalamnya. Viskositas bergantung pada suhu, dan sifat ketergantungan ini berbeda untuk cairan dan gas:

q viskositas dinamis cairan menurun tajam dengan meningkatnya suhu;

q Viskositas dinamis gas meningkat seiring dengan meningkatnya suhu.

Selain konsep viskositas dinamis, konsepnya pergantian Dan viskositas kinematik.

Ketidakstabilan disebut kebalikan dari viskositas dinamis.

Satuan SI untuk fluiditas = m 2 / (N s) = 1 / (Pa s).

Viskositas kinematik disebut rasio viskositas dinamis terhadap kepadatan medium.

Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah m 2 /s.

Hingga tahun 1980, satuan yang diperbolehkan untuk digunakan adalah Stokes (St). Hubungan antar satuan viskositas kinematik:

1 Stokes (St) = 10 –4 m 2 /s.

Ketika benda berbentuk bola bergerak dalam zat cair, ia harus mengatasi gaya gesekan:

. (I.153)

Rumus (I.153) adalah hukum Stokes .

Penentuan kekentalan zat cair dengan menggunakan viskometer Hoeppler didasarkan pada hukum Stokes. Sebuah bola diturunkan ke dalam pipa dengan diameter tertentu yang diisi dengan cairan, yang viskositasnya harus ditentukan, dan kecepatan jatuhnya diukur, yang merupakan ukuran viskositas cairan.

Ilmuwan Inggris O. Reynolds pada tahun 1883, sebagai hasil penelitiannya, sampai pada kesimpulan bahwa kriteria untuk mengkarakterisasi pergerakan zat cair dan gas dapat berupa bilangan yang ditentukan oleh himpunan besaran tak berdimensi yang berkaitan dengan zat cair tertentu dan pergerakannya. . Susunan bilangan-bilangan abstrak ini disebut bilangan Reynolds, seperti.

Friksi internal SAYA Friksi internal II Friksi internal

dalam padatan, sifat padatan untuk mengubah energi mekanik yang diberikan ke tubuh selama proses deformasi menjadi panas secara ireversibel. Tegangan dikaitkan dengan dua kelompok fenomena yang berbeda—inelastisitas dan deformasi plastis.

Inelastisitas adalah penyimpangan dari sifat elastisitas ketika suatu benda mengalami deformasi dalam kondisi dimana praktis tidak ada sisa deformasi. Ketika mengalami deformasi pada kecepatan yang terbatas, terjadi penyimpangan dari kesetimbangan termal dalam benda. Misalnya, ketika pelat tipis yang dipanaskan secara merata dibengkokkan, bahan yang mengembang ketika dipanaskan, serat yang diregangkan akan mendingin, serat yang dikompresi akan memanas, menghasilkan perbedaan suhu melintang, yaitu deformasi elastis akan menyebabkan ketidakseimbangan termal. Penyetaraan suhu selanjutnya melalui konduksi termal adalah suatu proses yang disertai dengan transisi ireversibel dari sebagian energi elastis menjadi energi panas. Hal ini menjelaskan redaman getaran lentur bebas pelat yang diamati secara eksperimental - yang disebut efek Termoelastik. Proses memulihkan keseimbangan yang terganggu ini disebut relaksasi (Lihat Relaksasi).

Selama deformasi elastis suatu paduan dengan distribusi atom yang seragam dari berbagai komponen, redistribusi atom dalam suatu zat dapat terjadi karena perbedaan ukurannya. Pemulihan distribusi keseimbangan atom melalui difusi (Lihat Difusi) juga merupakan proses relaksasi. Manifestasi dari sifat inelastis, atau relaksasi, selain yang disebutkan, adalah efek samping elastis pada logam dan paduan murni, histeresis elastis, dll.

Deformasi yang terjadi pada benda elastis tidak hanya bergantung pada gaya mekanik eksternal yang diterapkan padanya, tetapi juga pada suhu benda, komposisi kimianya, medan magnet dan listrik eksternal (magneto dan elektrostriksi), ukuran butir, dll. Hal ini menimbulkan berbagai fenomena relaksasi yang masing-masing memberikan kontribusi tersendiri terhadap W. t. Jika beberapa proses relaksasi terjadi dalam tubuh secara bersamaan, yang masing-masing dapat dicirikan oleh waktu relaksasinya sendiri (Lihat Relaksasi) τ Saya, maka totalitas seluruh waktu relaksasi dari proses relaksasi individu membentuk apa yang disebut spektrum relaksasi dari bahan tertentu ( beras. ), mengkarakterisasi materi tertentu dalam kondisi tertentu; Setiap perubahan struktural dalam sampel mengubah spektrum relaksasi.

Metode berikut digunakan untuk mengukur tegangan: mempelajari redaman getaran bebas (membujur, melintang, puntir, tekuk); studi tentang kurva resonansi untuk osilasi paksa (Lihat Osilasi paksa); disipasi relatif energi elastis selama satu periode osilasi. Studi fisika benda padat adalah bidang fisika benda padat baru yang berkembang pesat dan merupakan sumber informasi penting tentang proses yang terjadi pada benda padat, khususnya pada logam murni dan paduan yang telah mengalami berbagai perlakuan mekanis dan termal.

V. t. selama deformasi plastis. Jika gaya yang bekerja pada benda padat melebihi batas elastis dan terjadi aliran plastis, maka kita dapat berbicara tentang resistensi kuasi-viskos terhadap aliran (dengan analogi dengan fluida kental). Mekanisme tegangan tinggi selama deformasi plastis berbeda secara signifikan dengan mekanisme tegangan tinggi selama inelastisitas (lihat Plastisitas, Creep). Perbedaan mekanisme disipasi energi juga menentukan perbedaan nilai viskositas, yang berbeda sebesar 5-7 kali lipat (viskositas aliran plastis, mencapai nilai 10 13 -10 8 N· detik/m 2, selalu jauh lebih tinggi daripada viskositas yang dihitung dari getaran elastis dan sama dengan 10 7 - 10 8 N· detik/m 2). Ketika amplitudo getaran elastis meningkat, gunting plastik mulai memainkan peran yang semakin penting dalam meredam getaran tersebut, dan nilai viskositas meningkat, mendekati nilai viskositas plastik.

menyala.: Novik A.S., Gesekan internal pada logam, dalam buku: Kemajuan fisika logam. Duduk. artikel, trans. dari bahasa Inggris, bagian 1, M., 1956; Postnikov V.S., Fenomena relaksasi pada logam dan paduan yang mengalami deformasi, “Uspekhi Fizicheskikh Nauk”, 1954, v.53, v. 1, hal. 87; dia, Ketergantungan suhu gesekan internal logam dan paduan murni, ibid., 1958, vol.66, abad. 1, hal. 43.

Ensiklopedia Besar Soviet. - M.: Ensiklopedia Soviet. 1969-1978 .

Lihat apa itu “Gesekan internal” di kamus lain:

1) sifat benda padat untuk menyerap energi mekanik yang diterima oleh benda selama deformasi secara ireversibel. Gesekan internal memanifestasikan dirinya, misalnya, dalam redaman getaran bebas.2) Dalam cairan dan gas, viskositasnya sama ... Kamus Ensiklopedis Besar

Gesekan INTERNAL sama dengan viskositas... Ensiklopedia modern

Dalam benda padat, sifat benda padat diubah secara ireversibel menjadi panas mekanis. energi yang diberikan kepada suatu benda selama proses deformasinya. V. t. dikaitkan dengan dua yang berbeda. kelompok fenomena inelastisitas dan plastisitas. deformasi. Inelastisitas mewakili ... ... Ensiklopedia fisik- 1) sifat benda padat untuk mengubah energi mekanik yang diterima oleh benda selama deformasi menjadi panas secara ireversibel. Gesekan internal memanifestasikan dirinya, misalnya, dalam redaman getaran bebas. 2) Dalam cairan dan gas, viskositasnya sama. * * *… … kamus ensiklopedis

Gesekan dalam Gesekan dalam. Konversi energi menjadi panas di bawah pengaruh tegangan osilasi suatu material. (Sumber: “Logam dan paduan. Direktori.” Diedit oleh Yu.P. Solntsev; NPO Professional, NPO Mir and Family; St. Petersburg ... Kamus istilah metalurgi

Viskositas (gesekan internal) adalah sifat larutan yang mencirikan ketahanan terhadap gaya eksternal yang menyebabkan alirannya. (Lihat: SP 82 101 98. Persiapan dan penggunaan mortar konstruksi.)

FRIKSI INTERNAL dalam padatan - sifat padatan untuk diubah menjadi panas mekanis secara ireversibel. energi yang diberikan kepada tubuh selama proses deformasi, disertai dengan pelanggaran termodinamika di dalamnya. keseimbangan.

Tegangan adalah salah satu sifat inelastis, atau relaksasi (lihat. Relaksasi), yang tidak dijelaskan oleh teori elastisitas. Yang terakhir ini didasarkan pada asumsi tersembunyi kuasi-statis. sifat (kecepatan sangat kecil) deformasi elastis, bila termodinamika pada benda yang mengalami deformasi tidak dilanggar. keseimbangan. Pada saat yang sama, di kl. suatu momen ditentukan oleh besarnya deformasi pada momen yang sama. Untuk keadaan tegangan linier. Badan yang menaati hukum ini disebut. elastis sempurna, M0- statis benda elastis idealnya sesuai dengan jenis deformasi yang dipertimbangkan (tegangan, torsi). Dengan periodik deformasi benda elastis idealnya berada pada fase yang sama.

Ketika mengalami deformasi pada kecepatan yang terbatas, terjadi penyimpangan dari termodinamika dalam benda. keseimbangan, menyebabkan relaksasi yang tepat. suatu proses (kembali ke keadaan setimbang), disertai dengan disipasi (disipasi) energi elastis, yaitu transisi ireversibel menjadi panas. Misalnya, ketika pelat yang dipanaskan secara merata dibengkokkan, bahan tersebut memuai ketika dipanaskan, serat yang diregangkan menjadi dingin, serat yang dikompresi memanas, akibatnya timbul gradien suhu melintang, yaitu. deformasi elastis akan menyebabkan kegagalan. Penyetaraan suhu melalui konduktivitas termal mewakili relaksasi. suatu proses yang disertai dengan transisi ireversibel sebagian energi elastis menjadi energi panas, yang menjelaskan redaman getaran lentur bebas pelat yang diamati secara eksperimental. Selama deformasi elastis suatu paduan dengan distribusi atom komponen yang seragam, redistribusi atom komponen dapat terjadi karena perbedaan ukurannya. Memulihkan distribusi keseimbangan dengan juga merepresentasikan relaksasi. proses. Manifestasi sifat inelastis, atau relaksasi, selain yang disebutkan, adalah efek samping elastis pada logam dan paduan murni, histeresis elastis dan sebagainya.

Deformasi yang terjadi pada benda elastis tidak hanya ditentukan oleh gaya mekanik luar yang diterapkan padanya. kekuatan, tetapi juga perubahan suhu tubuh, sifat kimianya. komposisi, magnet luar. dan listrik bidang (magneto dan elektrostriksi), ukuran butir, dll.

Beras. 1. Spektrum relaksasi khas zat padat pada suhu kamar berhubungan dengan proses: SAYA- distribusi anisotropik atom terlarut di bawah pengaruh tekanan eksternal; II- di lapisan batas butiran polikristal; AKU AKU AKU- di perbatasan antara si kembar; IV- pembubaran atom dalam paduan; V- aliran panas melintang; VI - aliran panas antar kristal.

Hal ini mengarah pada beragam pilihan relaksasi. fenomena, yang masing-masing memberikan kontribusinya sendiri pada V. t. Jika beberapa relaksasi terjadi dalam tubuh pada saat yang bersamaan. proses, yang masing-masing dapat dicirikan oleh waktu relaksasinya sendiri, kemudian totalitas semua waktu relaksasi dep. relaksasi proses membentuk apa yang disebut. relaksasi spektrum material tertentu (Gbr. 1), yang mencirikan material tertentu dalam kondisi tertentu; Setiap perubahan struktural dalam sampel dicerminkan oleh perubahan karakteristik relaksasi. spektrum

Ada beberapa fenomenologis teori sifat inelastis, atau relaksasi, yang meliputi: a) teori efek samping elastis Boltzmann-Volterra, yang mencari hubungan antara tegangan dan deformasi, yang mencerminkan sejarah sebelumnya dari benda yang dapat dideformasi: di mana jenis “fungsi memori ” masih belum diketahui; b) metode reologi, model yang mengarah pada hubungan seperti:

Deformasi diferensial linier ini mencirikan ketergantungan waktu dan merupakan dasar untuk menggambarkan perilaku viskoelastik linier benda padat.

Beras. 2. Model mekanis Vocht, terdiri dari pegas-pegas yang dihubungkan secara paralel 1 dan piston di dalam silinder 2 diisi dengan cairan kental.

Beras. 3. Model Maxwell dengan sambungan pegas seri 1 sampai piston dalam silinder 2 .

Fenomena yang dijelaskan oleh persamaan (1) dimodelkan secara mekanis. dan listrik diagram yang mewakili hubungan serial dan paralel elemen atau wadah elastis (pegas) dan kental (piston dalam silinder dengan cairan kental) dan resistansi aktif. Naib. model sederhana: koneksi paralel elemen, yang mengarah ke ketergantungan (yang disebut benda padat Vocht - Gambar 2), dan berurutan. koneksi elemen (disebut benda padat Maxwell - Gambar 3). Jalan itu diikuti. dan koneksi paralel dari beberapa. Model Vocht dan Maxwell dengan nilai kekakuan dan koefisien pegas yang berbeda. resistensi kental memungkinkan untuk menggambarkan secara akurat hubungan antara tegangan dan regangan dalam benda viskoelastik; c) teori yang didasarkan pada termodinamika keadaan nonequilibrium, khususnya untuk kasus relaksasi. proses mengarah pada generalisasi hukum Hooke:

Di mana , a adalah konstanta material yang berdimensi viskositas, - . Untuk berkala deformasi dengan siklik frekuensinya menjadi: , Di mana

yaitu, digeser fasanya dengan suatu sudut:

Di mana - disebut cacat modul, atau tingkat relaksasi total; G) . Teori tegangan tinggi, yang menyatakan bahwa sumber tegangan tinggi adalah pergerakan dislokasi, menjelaskan, misalnya, penurunan tegangan tinggi dengan masuknya pengotor dengan fakta bahwa pengotor menghambat pergerakan dislokasi. Resistensi terhadap pergerakan dislokasi ini sering (dengan analogi dengan viskositas cairan) disebut. kental. Resistansi tegangan pada material yang sangat terdeformasi dijelaskan oleh pengereman timbal balik dislokasi, dll. Metode berikut digunakan untuk mengukur resistansi tegangan: a) studi tentang redaman getaran bebas (longitudinal, transversal, puntir, tekuk); b) mempelajari kurva resonansi untuk gaya paksa; c) mempelajari redaman pulsa ultrasonik dengan panjang gelombang . Besaran tegangan tinggi adalah: a) penurunan getaran, dimana pergeseran fasa antara tegangan dan regangan pada saat getaran elastik, besarnya Q mirip dengan listrik rangkaian osilasi; c) disipasi relatif energi elastis selama satu periode osilasi; d) lebar, dimana adalah simpangan dari frekuensi resonansi, dimana kuadrat amplitudo osilasi paksa berkurang 2 kali lipat. Beda. Langkah-langkah V.T. untuk nilai redaman kecil () terkait satu sama lain:

Untuk mengecualikan plastik. deformasi, amplitudo getaran selama pengukuran harus sangat kecil sehingga Pertanyaan -1 tidak bergantung padanya.

Spektrum relaksasi dapat diperoleh dengan mengubah frekuensi siklik. fluktuasi, dan suhu. Dengan tidak adanya proses relaksasi pada rentang suhu yang diteliti, maka suhu saat ini meningkat secara monoton, dan jika proses tersebut terjadi, maka maksimum (puncak) suhu saat ini muncul pada kurva ketergantungan suhu pada suhu dimana H-energi aktivasi relaksasi. proses, - konstanta material, - siklik. frekuensi osilasi.

Dengan menggunakan metode getaran torsi bebas dengan amplitudo kecil dan frekuensi rendah, dimungkinkan untuk mempelajari parameter kelarutan dan difusi atom yang membentuk larutan padat interstisial, transformasi fasa, kinetika, dan energi. karakteristik dekomposisi larutan padat lewat jenuh, dll. Osilasi dari 5 kHz hingga 300 kHz cocok untuk mempelajari pergerakan batas domain feromagnetik; osilasi sekitar 30 MHz digunakan untuk mempelajari hamburan getaran kristal dalam logam; kisi () elektron konduksi. Ilmu yang mempelajari sifat-sifat listrik padatan merupakan sumber informasi tentang keadaan dan proses yang terjadi pada padatan, khususnya pada logam murni dan paduan yang telah mengalami pengenceran. mekanis

dan perlakuan panas. menyala Friksi internal dalam logam, edisi ke-2, M., 1974; Akustik fisik, ed. W.Mason, terjemahan. dari bahasa Inggris, vol.3, bagian A - Pengaruh cacat terhadap sifat-sifat benda padat, M., 1969; Novik A.S., Berry B., Fenomena relaksasi pada kristal, trans. dari bahasa Inggris, M., 1975.

B.N. Finkelshtein.

Gesekan internal pada benda padat dapat disebabkan oleh beberapa mekanisme yang berbeda, dan meskipun semuanya pada akhirnya menghasilkan konversi energi mekanik menjadi panas, mekanisme ini

mekanismenya melibatkan dua proses disipatif yang berbeda. Kedua proses ini, secara kasar, analog dengan kehilangan viskos dan kehilangan konduksi termal selama perambatan gelombang suara dalam cairan.

Jenis proses pertama bergantung langsung pada perilaku inelastis suatu benda. Jika kurva tegangan-regangan untuk satu siklus getaran berbentuk loop histeresis, maka luas area yang terdapat dalam loop ini mewakili energi mekanik yang hilang dalam bentuk panas. Ketika suatu sampel mengalami siklus tegangan tertutup "secara statis", sejumlah energi tertentu akan hilang dan kehilangan ini merupakan bagian dari disipasi spesifik akibat getaran sampel. Seperti yang ditunjukkan oleh Jemant dan Jackson, meskipun loop histeresis sangat sempit sehingga tidak dapat diukur secara statis, hal ini memiliki pengaruh yang signifikan terhadap redaman osilasi, karena dalam eksperimen osilasi sampel dapat melakukan histeresis tertutup dalam jumlah besar. siklus. Kehilangan energi per siklus adalah konstan, sehingga disipasi spesifik dan penurunan logaritmik tidak bergantung pada frekuensi. Jemant dan Jackson menemukan bahwa untuk banyak material penurunan logaritmik memang konstan pada rentang frekuensi yang cukup luas, dan menyimpulkan bahwa penyebab utama gesekan internal dalam kasus ini mungkin hanya disebabkan oleh nonlinier "statis" dari hubungan tegangan-regangan bahan. bahan. Hasil serupa diperoleh Wegel dan Walter pada frekuensi tinggi.

Selain histeresis statis, banyak material menunjukkan kerugian yang terkait dengan perubahan kecepatan yang terjadi selama getaran, dan gaya yang menghasilkan kerugian ini dapat dianggap bersifat kental. Seperti yang telah kita lihat, adanya gaya-gaya tersebut berarti bahwa perilaku mekanis bergantung pada laju regangan; efek ini diamati, khususnya, pada polimer organik dengan rantai molekul yang panjang. Pokok bahasan reologi pada dasarnya adalah ketergantungan waktu seperti ini.

Ada kemungkinan untuk membedakan dua jenis kehilangan viskos pada padatan, yang secara kualitatif sesuai dengan perilaku model Maxwell dan Vocht yang dijelaskan pada paragraf sebelumnya. Jadi, ketika beban dijaga konstan, hal ini dapat menyebabkan deformasi ireversibel, seperti pada model Maxwell, atau deformasi dapat cenderung asimtotik ke nilai konstan tertentu seiring waktu dan perlahan menghilang ketika beban dihilangkan, seperti yang terjadi pada model Vocht. Jenis viskositas yang terakhir kadang-kadang disebut viskositas internal, dan perilaku mekanis benda tersebut disebut elastisitas terbelakang.

Interpretasi dari efek viskositas padatan pada skala molekuler tidak sepenuhnya jelas, terutama karena jenis proses mikroskopis yang menyebabkan disipasi mekanis.

energi dalam bentuk panas sebagian besar masih dalam dugaan. Tobolsky, Powell dan Ehring dan Alfrey mempelajari perilaku viskoelastik menggunakan teori proses laju. Pendekatan ini membuat asumsi bahwa setiap molekul (atau setiap mata rantai dalam rantai molekul dalam kasus polimer dengan rantai molekul panjang) mengalami getaran termal dalam “sumur energi” yang dibentuk oleh tetangganya. Sebagai akibat dari fluktuasi termal, dari waktu ke waktu muncul energi yang cukup bagi molekul untuk keluar dari sumur, dan dengan adanya gaya eksternal, terjadi difusi yang merata ke segala arah. Laju difusi bergantung pada kemungkinan molekul menerima energi yang cukup untuk keluar dari sumur, dan juga pada suhu absolut tubuh. Jika tekanan hidrostatis diterapkan pada suatu benda, ketinggian sumur energi berubah, laju difusi menjadi berbeda, namun tetap sama ke segala arah. Pada tegangan uniaksial, tinggi sumur pada arah tegangan tarik menjadi lebih rendah dibandingkan pada arah tegak lurus. Oleh karena itu, molekul lebih cenderung merambat sejajar dengan tegangan tarik dibandingkan dengan arah tegak lurus terhadap tegangan tarik tersebut. Aliran ini mengarah pada transformasi energi elastis yang dikumpulkan oleh benda menjadi gerakan termal acak, yang pada skala makroskopis dianggap sebagai gesekan internal. Jika molekul bergerak secara keseluruhan, alirannya akan bersifat ireversibel dan perilakunya akan mirip dengan model Maxwell, sedangkan jika ikatan molekul terjerat, material akan berperilaku seperti model Vocht dan menunjukkan elastisitas tertunda.

Jika asumsi tertentu dibuat mengenai bentuk sumur energi potensial dan sifat kelompok molekul yang bergetar di dalamnya, maka dapat ditunjukkan (Tobolsky, Powell, Ehring, hal. 125) bahwa teori tersebut mengarah pada perilaku mekanis energi potensial. bodinya mirip dengan yang dijelaskan oleh model pegas yang dibahas sebelumnya dalam bab ini. Penafsiran masalah ini menekankan ketergantungan sifat viskoelastik pada suhu; Hubungan termodinamika dapat diturunkan dari ketergantungan ini. Kerugian utama dalam menerapkan teori ini pada benda nyata dalam pengertian kuantitatif adalah bahwa sifat sumur potensial benda sebagian besar hanya berupa dugaan dan sering kali beberapa proses berbeda dapat terjadi secara bersamaan. Namun, ini masih merupakan satu-satunya pendekatan serius terhadap penjelasan molekuler mengenai efek yang diamati, dan ini memberikan dasar yang dapat diandalkan untuk pengembangan di masa depan.

Kerugian terjadi pada benda non-logam homogen seperti dijelaskan di atas, dan gesekan internal lebih berkaitan dengan perilaku inelastis material dibandingkan dengan sifat termal makroskopisnya. Namun pada logam, ada

hilangnya sifat termal, yang umumnya lebih signifikan, dan Zener mempertimbangkan beberapa mekanisme termal berbeda yang menyebabkan disipasi energi mekanik dalam bentuk panas.

Perubahan volume tubuh harus dibarengi dengan perubahan suhu; Jadi, ketika suatu benda berkontraksi, suhunya meningkat, dan ketika ia mengembang, suhunya menurun. Untuk mempermudah, kita akan memperhatikan getaran lentur pelat kantilever (lidah). Setiap kali lidah ditekuk, bagian dalam menjadi panas dan bagian luar menjadi dingin, sehingga terjadi aliran panas yang terus menerus bolak-balik melintasi lidah saat lidah berosilasi. Jika pergerakannya sangat lambat, maka perpindahan panas bersifat isotermal dan oleh karena itu dapat dibalik, dan oleh karena itu tidak ada kerugian yang terjadi pada frekuensi osilasi yang sangat rendah. Jika osilasi terjadi begitu cepat sehingga panas tidak sempat mengalir melintasi lidah, maka kondisi menjadi adiabatik dan tetap tidak terjadi kerugian. Selama getaran lentur, yang periodenya sebanding dengan waktu yang dibutuhkan panas untuk mengalir melintasi lidah, terjadi konversi energi mekanik menjadi panas yang tidak dapat diubah, yang diamati dalam bentuk gesekan internal. Zener menunjukkan bahwa untuk buluh yang bergetar, hamburan spesifiknya diberikan oleh

Dan - nilai adiabatik dan isotermal modulus Young bahan, - frekuensi getaran, - frekuensi relaksasi, yang untuk lidah berpenampang persegi panjang memiliki ekspresi

di sini K adalah konduktivitas termal, panas jenis pada tekanan konstan, kepadatan, ketebalan buluh pada bidang getaran.

Bennewitz dan Rötger mengukur gesekan internal pada lidah perak Jerman selama getaran melintang. Hasil percobaan mereka ditunjukkan pada Gambar. 29 beserta kurva teoritis yang diperoleh dengan menggunakan persamaan (5.60). Tidak ada parameter sembarangan yang digunakan dalam membangun kurva ini, dan kesesuaian antara teori dan eksperimen sangat baik. Jelas bahwa pada wilayah frekuensi sekitar (kira-kira 10 Hz) konduksi termal pada buluh merupakan penyebab utama gesekan internal. Dapat juga dilihat bahwa pada frekuensi yang jauh dari nilai eksperimen, nilai gesekan internal lebih tinggi daripada yang diperkirakan oleh teori, dan ini menunjukkan bahwa pengaruh lain menjadi relatif lebih penting di sini. Tegangan longitudinal akan terjadi

menghasilkan efek serupa, karena sebagian sampel dikompresi sementara yang lain diregangkan, dalam hal ini aliran panas sejajar dengan arah rambat. Karena jarak antara daerah kompresi dan penghalusan dalam hal ini sama dengan setengah panjang gelombang, kerugian yang disebabkan oleh alasan ini akan kecil pada frekuensi biasa.

Ara. 29. Perbandingan nilai gesekan internal pelat perak Jerman selama getaran transversal, diukur oleh Bennewitz dan Roetger dan diperoleh dari hubungan teoritis Zener.

Jenis kehilangan panas yang dijelaskan terjadi terlepas dari apakah benda itu homogen atau tidak. Jika materialnya heterogen, ada mekanisme tambahan yang menyebabkan hilangnya panas. Jadi, dalam bahan polikristalin, butiran yang berdekatan mungkin memiliki arah kristalografi yang berbeda terhadap arah deformasi dan, sebagai akibatnya, menerima tegangan dengan besaran yang berbeda ketika sampel mengalami deformasi. Oleh karena itu, suhu akan bervariasi dari kristalit ke kristalit, akibatnya aliran panas yang sangat kecil akan terjadi melintasi batas butir. Seperti halnya rugi-rugi konduksi pada osilasi kantilever, terdapat batas frekuensi bawah bila deformasi terjadi sangat lambat sehingga perubahan volume terjadi secara isotermal tanpa kehilangan energi, dan terdapat juga batas frekuensi atas bila deformasi terjadi secara adiabatik, sehingga sekali lagi tidak ada kerugian yang terjadi. Kerugian terbesar terjadi ketika frekuensi yang diterapkan mencapai

antara dua batas tersebut; nilai frekuensi ini bergantung pada ukuran butiran kristal dan konduktivitas termal medium. Zener memperoleh ekspresi untuk frekuensi dimana kerugian semacam ini maksimum. Persamaan ini mirip dengan (5.61) dan memiliki bentuk

di mana a adalah ukuran butir linier rata-rata.

Randall, Rose, dan Zener mengukur gesekan internal pada spesimen kuningan dengan berbagai ukuran butir dan menemukan bahwa, pada frekuensi yang digunakan, redaman maksimum terjadi ketika ukuran butir sangat dekat dengan yang diberikan oleh persamaan (5.62). Besarnya gesekan internal yang disebabkan oleh aliran panas mikroskopis ini bergantung pada jenis struktur kristal serta ukuran butir, dan meningkat seiring dengan meningkatnya anisotropi elastis masing-masing kristalit. Zener (, hal. 89-90) mengusulkan bahwa pada frekuensi yang sangat tinggi, aliran panas hampir seluruhnya terbatas pada sekitar batas butir; ini mengarah pada hubungan yang menurutnya hamburan spesifik sebanding dengan akar kuadrat frekuensi osilasi. Hasil ini dikonfirmasi secara eksperimental untuk kuningan oleh Randal, Rose dan Zener. Sebaliknya, pada frekuensi yang sangat rendah, aliran panas terjadi ke seluruh material; maka diperoleh hubungan yang menyatakan bahwa gesekan internal sebanding dengan pangkat pertama frekuensi. Hasil eksperimen Zener dan Randal setuju dengan kesimpulan ini.

Ada dua jenis kehilangan panas lainnya yang perlu disebutkan. Yang pertama berhubungan dengan pembuangan panas ke udara sekitar; namun tingkat kerugiannya sangat kecil sehingga hanya berpengaruh pada frekuensi osilasi yang sangat rendah. Jenis kerugian lain mungkin timbul dari kurangnya keseimbangan termal antara mode Debye normal; kerugian ini mirip dengan redaman ultrasonik dalam gas, yang disebabkan oleh terbatasnya waktu yang dibutuhkan energi panas untuk didistribusikan kembali antara berbagai derajat kebebasan molekul gas. Akan tetapi, dalam benda padat, keseimbangan antara mode getaran yang berbeda terjadi dengan sangat cepat sehingga gesekan internal yang disebabkan oleh sebab tersebut diperkirakan hanya akan terlihat pada frekuensi orde 1000 MHz. Teori fenomena yang dijelaskan di atas dipertimbangkan oleh Landau dan Rumer dan kemudian oleh Gurevich.

Untuk logam polikristalin, ia mempelajari gesekan internal yang disebabkan oleh “slip kental” pada batas kristal. Dia melakukan percobaan pada redaman getaran puntir pada aluminium murni dan menunjukkan gesekan internal dalam kasus ini

dapat dihitung secara akurat dengan asumsi bahwa logam pada batas kristal berperilaku kental.

Ada dua proses lain yang terjadi pada benda kristal selama deformasinya, yang dapat menyebabkan gesekan internal. Yang pertama adalah pergerakan daerah kelainan pada kristal, yang disebut dislokasi. Proses kedua adalah pengurutan atom-atom terlarut ketika tegangan diberikan; yang terakhir terjadi ketika ada pengotor yang terlarut dalam kisi kristal. Peran dislokasi dalam deformasi plastis kristal pertama kali dipertimbangkan oleh Oroven, Palaney dan Taylor, dan meskipun tampaknya pergerakan dislokasi ini sering kali menjadi penyebab signifikan gesekan internal terutama pada regangan besar, mekanisme pasti yang dapat digunakan energi elastis yang hilang saat ini masih belum jelas (lihat Bradfield). Pengaruh pengotor yang terlarut dalam kisi kristal terhadap gesekan internal pertama kali dipertimbangkan oleh Gorsky dan kemudian oleh Snoek. Alasan keberadaan atom-atom terlarut tersebut menyebabkan gesekan internal adalah karena distribusi kesetimbangannya dalam kristal yang diberi tekanan berbeda dengan distribusi kesetimbangan ketika kristal tersebut tidak diberi tekanan. Ketika tegangan diterapkan, pembentukan keseimbangan baru memerlukan waktu, sehingga deformasi tertinggal dari tegangan. Hal ini memperkenalkan proses relaksasi, yang memainkan peran penting dalam fluktuasi stres, yang periodenya sebanding dengan waktu relaksasi. Laju terbentuknya kesetimbangan sangat bergantung pada suhu, sehingga jenis gesekan internal ini harus sangat peka terhadap suhu.

Kasus khusus gesekan internal telah ditemukan pada bahan feromagnetik. Becker dan Döring memberikan tinjauan komprehensif studi eksperimental dan teoritis untuk bahan jenis ini mengenai masalah penerapan penting efek magnetostriktif dalam eksitasi ultrasonik. Telah ditemukan bahwa gesekan internal pada bahan feromagnetik jauh lebih besar dibandingkan logam lain, dan meningkat ketika bahan tersebut dimagnetisasi; itu juga meningkat dengan cepat seiring suhu ketika mencapai titik Curie.

Mekanisme yang melemahkan gelombang tegangan pada benda padat, namun tidak termasuk gesekan internal, adalah disipasi. Fenomena ini terjadi pada logam polikristalin ketika panjang gelombang sebanding dengan ukuran butir; Meson dan McSkimin mengukur efek hamburan pada batang aluminium dan menunjukkan bahwa ketika panjang gelombang sebanding dengan ukuran butir, redaman berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang. Ketergantungan ini bertepatan dengan ketergantungan yang diberikan oleh Rayleigh (Vol. II, hal. 194) untuk hamburan suara dalam gas.