Явление внутреннего трения (вязкость). Трение

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. Допустим, что некоторое количество жидкости заключено между двумя плоскими неограниченными параллельными пластинами (рис. 2.1); расстояние между ними – п; скорость движения верхней пластины относительно нижней – υ.

Опыт показывает, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенке, прилипает к ней. Отсюда следует, что скорость движения жидкости, прилегающей к нижней стенке, равна нулю, а к верхней – υ. Промежуточные слои движутся со скоростью, постепенно возрастающей от 0 до υ.

Рис. 2.1.

Таким образом, существует разность скоростей между соседними слоями, и возникает взаимное скольжение слоев, которое приводит к проявлению силы внутреннего трения.

Чтобы перемещать одну пластину относительно другой, необходимо приложить к движущейся пластине некоторую силу Г, равную силе сопротивления жидкости в результате внутреннего трения. Ньютон установил, что эта сила пропорциональна скорости и, поверхности соприкосновения S и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами n , т.е.

где μ – коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (или динамическим коэффициентом вязкости).

Для большего уточнения этой зависимости ее следует отнести к бесконечно малому расстоянию между слоями жидкости, тогда

где Δ υ – относительная скорость движения соседних слоев; Δп – расстояние между ними. Или в пределе

Последнее выражение представляет закон Ньютона для внутреннего трения. Знак плюс или минус принимается в зависимости от знака градиента скорости dv/dn.

Так как τ = Т/S есть касательное напряжение сдвига, то закону Ньютона можно придать более удобный вид:

Касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном вектору скорости и площадке, по которой оно действует.

Коэффициент пропорциональности µ характеризует физические свойства жидкости и называется динамической вязкостью. Из формулы Ньютона следует, что

Из этого выражения вытекает физический смысл коэффициента р: если , то µ = τ.

В гидродинамике вводят в рассмотрение величину

называемую кинематической вязкостью (кинематическим коэффициентом вязкости).

Динамическая вязкость µ с ростом температуры уменьшается, а с увеличением давления увеличивается. Однако влияние давления для капельных жидкостей незначительно. Динамическая вязкость газов с увеличением температуры возрастает, а от изменения давления меняется незначительно.

Закон Ньютона для внутреннего трения в жидкостях существенно отличается от законов трения в твердых телах. В твердых телах существует трение покоя. Кроме того, сила трения пропорциональна нормальному давлению и мало зависит от относительной скорости движения. В жидкости, подчиняющейся закону Ньютона, при отсутствии относительной скорости движения слоев сила трения отсутствует. Сила трения не зависит от давления (нормального напряжения), а зависит от относительной скорости перемещения слоев. Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. Однако существуют жидкости, которые не подчиняются этому закону (аномальные жидкости). К их числу относятся различного вида эмульсии, коллоидные растворы, представляющие собой неоднородные тела, состоящие из двух фаз (твердой и жидкой).

Так, глинистые растворы, применяемые при бурении нефтяных скважин, некоторые сорта нефтей вблизи температуры их застывания не подчиняются закону Ньютона. Опытами установлено, что в подобных жидкостях движение наступает после того, как касательные напряжения достигнут некоторого значения, называемого начальным напряжением сдвига.

Для таких жидкостей справедлива более общая зависимость для τ (формула Бингема):

где τ0 – начальное напряжение сдвига; η – структурная вязкость.

Таким образом, эти жидкости при напряжении 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.

Графически зависимость между и τ изображается кривой 1 для ньютоновских жидкостей и кривой 2 – для аномальных жидкостей (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость dv/dn от касательного напряжения

При движении структурных жидкостей по трубопроводу наблюдаются три режима их движения: структурный, ламинарный, турбулентный.

Структурный. Для начала движения необходим некоторый начальный перепад давления в трубопроводе Δр 0, после чего жидкость отделяется от стенок и начинает двигаться как одно целое (как твердое тело).

Ламинарный. При увеличении перепада давления Δр будет увеличиваться скорость движения жидкости и вблизи стенок начнет развиваться ламинарный режим течения. По мере дальнейшего увеличения скорости область ламинарного режима будет расширяться, затем структурный режим полностью переходит в ламинарный.

Турбулентный. При дальнейшем увеличении скорости ламинарный режим переходит в турбулентный (см. параграф 6.1).

Зависимость вязкости от температуры и давления. Вискозиметры

Вязкость капельной жидкости в значительной степени зависит от температуры и в меньшей степени – от давления. Зависимостью вязкости от давления в большинстве случаев пренебрегают. Например, при давлениях до 50 105 Па вязкость изменяется не более чем на 8,5%. Исключением является вода при температуре 25°С – ее вязкость с увеличением давления незначительно уменьшается. Другая особенность воды состоит в том, что ее плотность с уменьшением температуры до +4°С возрастает, а при дальнейшем уменьшении температуры (от +4 до 0°С) – уменьшается. Этим объясняется тот факт, что вода замерзает с поверхности. При температуре около 0°С она имеет наименьшую плотность, и слои жидкости, имеющие такую температуру, как наиболее легкие всплывают на поверхность, где и происходит замерзание воды, если ее температура оказывается меньшей 0°С.

При атмосферном давлении вязкость воды в зависимости от температуры определяется по формуле Пуазейля

где v – кинематическая вязкость; µ – динамическая вязкость; ρ – плотность воды при данной температуре; t – температура воды.

Вязкость жидкости определяют при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Для жидкостей, более вязких, чем вода, применяют вискозиметр Энглера. Этот прибор состоит из емкости с отверстием, через которое при температуре 20°С определяют время слива дистиллированной воды Т 0 и жидкости T , вязкость которой требуется определить. Отношение величин Т и Т 0 составляет число условных градусов Энглера:

После определения вязкости жидкости в условных градусах Энглера кинематическая вязкость (см2/с) находится по эмпирической формуле Убеллоде

Полученные по этой формуле значения v хорошо согласуются с опытными данными.

Внутреннее трение возникает в жидкости вследствие взаимодействия молекул. В отличие от внешнего трения, возникающего в месте соприкосновения двух тел, внутреннее трение имеет место внутри движущейся среды между слоями с различными скоростями движения.

При скоростях выше критической скорости слои, близкие к стенкам, заметно отстают вследствие трения от средних, возникают значительные разности скоростей, что влечёт за собой образование вихрей.

Итак, вязкость , или внутреннее трение в жидкостях , обусловливает не только потери энергии на трение, но ещё и новые образования – вихри .

Ньютон установил, что сила вязкости, или внутреннего трения, должна быть пропорциональна градиенту скорости (величина, показывающая, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении , перпендикулярном направлению движения слоёв) и площади , на которой обнаруживается действие этой силы. Таким образом, мы приходим к формуле Ньютона:

, (I.149)

где - коэффициент вязкости , или внутреннего трения , постоянное число, характеризующее данную жидкость или газ.

Чтобы выяснить физический смысл , положим в формуле (I.149) сек –1 , м 2 ; тогда численно ; следовательно, коэффициент вязкости равен силе трения , которая возникает в жидкости между двумя площадками в м 2 , если между ними градиент скорости равен единице .

Единица СИ динамической вязкости = паскаль - секунда (Па·с).

(Па·с) равен динамической вязкости среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем, равным (м/с) на (м), возникает сила внутреннего трения в (Н) на (м 2) поверхности касания слоёв ( Па·с= Н·с/м 2).

Единица, допускавшаяся к применению до 1980 г.: пуаз (П), по имени французского учёного Пуазейля, который один из первых (1842 г.) начал точные исследования вязкости при течении жидкостей в тонких трубках (соотношение между единицами динамической вязкости: 1 П = 0,1 Па·с)

Пуазейль , наблюдая движение жидкостей в капиллярных трубках, вывел закон , согласно которому:

, (I.150)

где - объём жидкости, протекающий по трубке за время ;

Радиус трубки (с гладкими стенками);

Разность давлений на концах трубки;

Продолжительность протекания жидкости;

Длина трубки.

Чем больше вязкость, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают. Вязкость зависит от температуры, причём характер этой зависимости для жидкостей и газов различен:

q динамическая вязкость жидкостей резко уменьшается с повышением температуры;

q динамическая вязкость газов увеличивается с повышением температуры.

Кроме понятия динамической вязкости применяются понятия текучести и кинематической вязкости .

Текучестью называется величина, обратная динамической вязкости.

Единица СИ текучести =м 2 /(Н·с)=1/(Па·с).

Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности среды.

Единица СИ кинематической вязкости м 2 /с.

До 1980 г. к применению допускалась единица: стокс (Ст). Соотношение между единицами кинематической вязкости:

1 стокс (Ст) = 10 –4 м 2 /с.

Когда тело шарообразной формы движется в жидкости, ему приходится преодолевать силу трения:

. (I.153)

Формула (I.153) представляет собой закон Стокса .

На законе Стокса основано определение вязкости жидкости вискозиметром Гёпплера. В трубу определённого диаметра, заполненную жидкостью, вязкость которой надо определить, опускают шарик и измеряют скорость его падения, которая и является мерой вязкости жидкости.

Английский учёный О. Рейнольдс в 1883 г. в результате своих исследований пришёл к заключению, что критерием характеризующем движение жидкостей и газов, могут служить числа, определяемые безразмерной совокупностью величин, относящихся к данной жидкости и данному её движению. Состав этих отвлечённых чисел, называемых числами Рейнольдса , таков.

Внутреннее трение I Вну́треннее тре́ние II Вну́треннее тре́ние

в твёрдых телах, свойство твёрдых тел необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную телу в процессе его деформирования. В. т. связано с двумя различными группами явлений - неупругостью и пластической деформацией.

Неупругость представляет собой отклонение от свойств упругости при деформировании тела в условиях, когда остаточные деформации практически отсутствуют. При деформировании с конечной скоростью в теле возникает отклонение от теплового равновесия. Например, при изгибе равномерно нагретой тонкой пластинки, материал которой расширяется при нагревании, растянутые волокна охладятся, сжатые - нагреются, вследствие чего возникнет поперечный перепад температуры, т. е. упругое деформирование вызовет нарушение теплового равновесия. Последующее выравнивание температуры путём теплопроводности представляет собой процесс, сопровождаемый необратимым переходом части упругой энергии в тепловую. Этим объясняется наблюдаемое на опыте затухание свободных изгибных колебаний пластинки -так называемый Термоупругий эффект . Такой процесс восстановления нарушенного равновесия называется релаксацией (См. Релаксация).

При упругом деформировании сплава с равномерным распределением атомов различных компонентов может произойти перераспределение атомов в веществе, связанное с различием их размеров. Восстановление равновесного распределения атомов путём диффузии (См. Диффузия) также представляет собой релаксационный процесс. Проявлениями неупругих, или релаксационных, свойств, кроме упомянутых, являются упругое Последействие в чистых металлах и сплавах, упругий Гистерезис и др.

Деформация, возникающая в упругом теле, зависит не только от приложенных к нему внешних механических сил, но и от температуры тела, его химического состава, внешних магнитных и электрических полей (магнито- и электрострикция), величины зерна и т.д. Это приводит к многообразию релаксационных явлений, каждое из которых вносит свой вклад во В. т. Если в теле одновременно происходит несколько релаксационных процессов, каждый из которых можно характеризовать своим временем релаксации (См. Релаксация) τ i , то совокупность всех времён релаксации отдельных релаксационных процессов образует так называемый релаксационный спектр данного материала (рис. ), характеризующий данный материал при данных условиях; каждое структурное изменение в образце меняет релаксационный спектр.

В качестве методов измерения В. т. применяются: изучение затухания свободных колебаний (продольных, поперечных, крутильных, изгибных); изучение резонансной кривой для вынужденных колебаний (См. Вынужденные колебания); относительное рассеяние упругой энергии за один период колебаний. Изучение В. т. твёрдых тел представляет собой новую быстро развивающуюся область физики твёрдого тела, является источником важных сведений о процессах, возникающих в твёрдых телах, в частности в чистых металлах и сплавах, подвергнутых различным механическим и тепловым обработкам.

В. т. при пластической деформации. Если силы, действующие на твёрдое тело, превосходят предел упругости и возникает пластическое течение, то можно говорить о квазивязком сопротивлении течению (по аналогии с вязкой жидкостью). Механизм В. т. при пластической деформации существенно отличается от механизма В. т. при неупругости (см. Пластичность , Ползучесть). Различие в механизмах рассеяния энергии определяет и разницу в значениях вязкости, отличающихся на 5-7 порядков (вязкость пластического течения, достигающая величин 10 13 -10 8 н ·сек/м 2 , всегда значительно выше вязкости, вычисляемой из упругих колебаний и равной 10 7 - 10 8 н ·сек/м 2). По мере роста амплитуды упругих колебаний всё большую роль в затухании этих колебаний начинают играть пластические сдвиги, и величина вязкости растёт, приближаясь к значениям пластической вязкости.

Лит.: Новик А. С., Внутреннее трение в металлах, в кн.: Успехи физики металлов. Сб. статей, пер. с англ., ч. 1, М., 1956; Постников В. С., Релаксационные явления в металлах и сплавах, подвергнутых деформированию, «Успехи физических наук», 1954, т. 53, в. 1, с. 87; его же, Температурная зависимость внутреннего трения чистых металлов и сплавов, там же, 1958, т. 66, в. 1, с. 43.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Внутреннее трение" в других словарях:

1) свойство твердых тел необратимо поглощать механическую энергию, полученную телом при его деформации. Внутреннее трение проявляется, напр., в затухании свободных колебаний.2) В жидкостях и газах то же, что вязкость … Большой Энциклопедический словарь

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ, то же, что вязкость … Современная энциклопедия

В твёрдых телах, свойство твёрдых тел необратимо превращать в теплоту механич. энергию, сообщённую телу в процессе его деформирования. В. т. связана с двумя разл. группами явлений неупругостью и пластич. деформацией. Неупругость представляет… … Физическая энциклопедия - 1) свойство твердых тел необратимо превращать в теплоту механическую энергию, полученную телом при его деформации. Внутреннее трение проявляется, например, в затухании свободных колебаний. 2) В жидкостях и газах то же, что вязкость. * * *… … Энциклопедический словарь

Internal friction Внутреннее трение. Преобразование энергии в тепло под воздействием колебательного напряжения материала. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал, НПО Мир и семья; Санкт Петербург … Словарь металлургических терминов

Вязкость (внутреннее трение) свойство растворов, характеризующее сопротивление действию внешних сил, вызывающих их течение. (Смотри: СП 82 101 98. Приготовление и применение растворов строительных.)

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ в твёрдых телах - свойство твёрдых тел необратимо превращать в теплоту механич. энергию, сообщённую телу в процессах его деформирования, сопровождающихся нарушением в нём термодинамич. равновесия.

В. т. относится к числу неупругих, или релаксационных, свойств (см. Релаксация ),к-рые не описываются теорией упругости. Последняя основывается на скрытом допущении о квазистатич. характере (бесконечно малой скорости) упругого деформирования, когда в деформируемом теле не нарушается термодинамич. равновесие. При этом в к--л. момент времени определяется значением деформации в тот же момент. Для линейного напряжённого состояния . Тело, подчиняющееся этому закону, наз. идеально упругим, M 0 - статич. идеально упругого тела, соответствующий рассматриваемому типу деформации (растяжение, кручение). При периодич. деформировании идеально упругого тела находятся в одной фазе.

При деформировании с конечной скоростью в теле возникает отклонение от термодинамич. равновесия, вызывающее соответствующий релаксац. процесс (возвращение к равновесному состоянию), сопровождаемый диссипацией (рассеянием) упругой энергии, т. е. необратимым ее переходом в теплоту. Напр., при изгибе равномерно нагретой пластинки, материал к-рой расширяется при нагревании, растягиваемые волокна охлаждаются, сжимаемые - нагреваются, вследствие чего возникнет поперечный градиент темп-ры, т.е. упругое деформирование вызовет нарушение . Выравнивание темп-ры путём теплопроводности представляет релаксац. процесс, сопровождаемый необратимым переходом части упругой энергии в тепловую, чем объясняется наблюдаемое на опыте затухание свободных изгибных колебаний пластинки. При упругом деформировании сплава с равномерным распределением атомов компонент может произойти перераспределение последних, связанное с различием их размеров. Восстановление равновесного распределения путём также представляет собой релаксац. процесс. Проявлениями неупругих, или релаксац., свойств, кроме упомянутых, являются упругое последействие в чистых металлах и сплавах, гистерезис упругий и др.

Деформация, возникающая в упругом теле, определяется не только приложенными к нему внешними механич. силами, но и изменениями темп-ры тела, его хим. состава, внешними магн. и электрич. полями (магнито- и электрострикция), размерами зёрен и т. д.

Рис. 1. Типичный релаксационный спектр твёрдого тела при комнатной температуре, связанный с процессами: I - анизотропного распределения растворённых атомов под действием внешних напряжений; II - в граничных слоях зёрен поликристаллов; III - на границах раздела двойников; IV - растворения атомов в сплавах; V - поперечных тепловых потоков; VI - межкристаллитных тепловых потоков.

Это приводит к многообразию релаксац. явлений, каждое из к-рых вносит свой вклад во В. т. Если в теле одновременно происходит несколько релаксац. процессов, каждый из к-рых можно характеризовать своим временем релаксации , то совокупность всех времён релаксации отд. релаксац. процессов образует т. н. релаксац. спектр данного материала (рис. 1), к-рый характеризует данный материал при данных условиях; каждое структурное изменение в образце отражается характерным изменением релаксац. спектра.

Существует неск. феноменологич. теорий неупругих, или релаксац, свойств, к к-рым относятся: а) теория упругого последействия Больцмана - Вольтерры, отыскивающая такую связь между напряжением и деформацией, к-рая отображает предшествующую историю деформируемого тела: , где вид "функции памяти" остаётся неизвестной; б) метод реология, моделей, к-рый приводит к соотношениям типа:

Это линейное дифференц ур-ние деформации характеризует зависимость от времени и является основой для описания линейного вязкоупругого поведения твёрдого тела.

Рис. 2. Механическая модель Фохта, состоящая из параллельно соединенных пружины 1 и поршня в цилиндре 2 , заполненном вязкой жидкостью.

Рис. 3. Модель Максвелла с последовательным соединением пружины 1 к поршня в цилиндре 2 .

Явления, описываемые ур-ниями тина (1), моделируются механич. и электрич. схемами, представляющими последовательное и параллельное соединение упругих (пружины) и вязких (поршень в цилиндре с вязкой жидкостью) элементов или ёмкостей и активных сопротивлений. Наиб. простые модели: параллельное соединение элементов, приводящее к зависимости (т. н. твёрдое тело Фохта - рис. 2), и последоват. соединение элементов (т. н. твёрдое тело Максвелла - рис. 3). Путём последоват. и параллельного соединения неск. моделей Фохта и Максвелла с разными значениями жёсткости пружины и коэф. вязкого сопротивления удаётся достаточно точно описать соотношения между напряжениями и деформациями в вязкоупругом теле; в) теория, основанная на термодинамике неравновесных состояний, к-рая для случая одного релаксац. процесса приводит к обобщению закона Гука:

где , а - материальная постоянная, имеющая размерность вязкости, - . Для периодич. деформирования с циклич. частотой получается: , где

т. е. сдвинуты по фазе на угол :

где - т. н. дефект модуля, или полная степень релаксации; г) . теория В. т., согласно к-рой источником В. т. является движение дислокаций, объясняет, напр., уменьшение В. т. при введении примесей тем, что последние препятствуют движению дислокаций. Такое сопротивление движению дислокаций часто (по аналогии с вязкостью жидкостей) наз. вязким. В. т. в сильно деформированных материалах объясняется взаимным торможением дислокаций и т д. В качестве методов измерения В. т. применяются: а) изучение затухания свободных колебаний (продольных, поперечных, крутильных, изгибных); б) изучение резонансной кривой для вынужденных ; в) изучение затухания УЗ-импульса с длиной волны . Мерами В. т. служат: а) декремент колебаний , где - сдвиг фазы между напряжением и деформацией при упругих колебаниях, величина Q аналогична электрич. колебательного контура; в) относительное рассеяние упругой энергии за один период колебаний; г) ширина , где - отклонение от резонансной частоты , при к-рой квадрат амплитуды вынужденных колебаний уменьшается в 2 раза. Разл. меры В. т. при малых значениях затухания () связаны между собой:

Для исключения пластич. деформации амплитуда колебаний при измерениях должна быть настолько мала, чтобы Q -1 от неё не зависело.

Спектр релаксации можно получить, изменяя не частоту циклич. колебаний, а темп-ру. При отсутствии релаксационных процессов в исследуемом интервале температур В. т. монотонно растёт, а если такой процесс имеет место, то на кривой температурной зависимости появляется максимум (пик) В. т. при температуре , где H -энергия активации релаксац. процесса, - материальная постоянная, - циклич. частота колебаний.

Методом свободных крутильных колебаний малой амплитуды и низкой частоты можно изучать растворимость и параметры диффузии атомов, образующих твёрдые растворы внедрения, фазовые превращения, кинетику и энергетич. характеристики распада пересыщенных твёрдых растворов и др. Колебания от 5 кГц до 300 кГц пригодны для изучения движения границ ферромагнитных доменов, колебания около 30 МГц применены к исследованию в металле рассеяния колебаний кристаллич. решётки () электронами проводимости. Изучение В. т. твёрдых тел - источник сведений о состояниях и процессах, возникающих в твёрдых телах, в частности в чистых металлах и сплавах, подвергнутых разд. механич. и тепловым обработкам.

Лит Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, 2 изд., M., 1974; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 3, ч. А - Влияние дефектов на свойства твердых тел, M., 1969; Новик А. С., Берри Б., Релаксационные явления в кристаллах, пер. с англ., M., 1975.

Б. H. Финкельштейн .

Внутреннее трение в твердых телах может быть вызвано несколькими различными механизмами, и хотя все они, в конце концов, приводят к преобразованию механической энергии в теплоту, эти

механизмы включают в себя два различных диссипативных процесса. Эти два процесса представляют собой, грубо говоря, аналоги вязких потерь и потерь путем теплопроводности при распространении звуковых волн в жидкостях.

Первый тип процесса зависит непосредственно от неупругого поведения тела. Если кривая напряжение - деформация для единичного цикла колебаний имеет вид петли гистерезиса, то площадь, заключенная внутри этой петли, представляет ту механическую энергию, которая теряется в форме тепла. Когда образец совершает замкнутый цикл напряжений "статически", определенное количество энергии рассеивается и эти потери представляют часть специфического рассеяния при колебаниях образца. Как показали Джемант и Джексон , даже в том случае, когда петля гистерезиса настолько узкая, что не может быть измерена статически, она оказывает существенное влияние на затухание колебаний, так как в опыте на колебания образец может совершать большое число замкнутых циклов гистерезиса. Потеря энергии за один цикл постоянна, так что специфическое рассеяние и, следовательно, логарифмический декремент не зивисят от частоты. Джемант и Джексон нашли, что для многих материалов логарифмический декремент действительно постоянен в довольно широкой области частот, и пришли к заключению, что основная причина внутреннего трения в этих случаях может быть связана просто со "статической" нелинейностью зависимости напряжение - деформация материала. Аналогичные результаты были получены Вегелем и Уолтером при высоких частотах.

В дополнение к статическому гистерезису многие материалы обнаруживают потери, связанные с перепадами скорости, возникающими при колебаниях, причем силы, порождающие эти потери, можно рассматривать как имеющие вязкую природу. Как мы видели, наличие таких сил означает, что механическое поведение зависит от скорости деформирования; этот эффект отмечается, в частности, в органических полимерах с длинными молекулярными цепочками. Предметом реологии является главным образом такого рода зависимость от времени.

Можно различать два типа вязких потерь в твердых телах, что качественно соответствует поведению моделей Максвелла и Фохта, описанных в предыдущих параграфах. Так, когда нагрузка поддерживается постоянной, это может привести к необратимой деформации, как в модели Максвелла, или же деформация может с течением времени асимптотически стремиться к некоторому постоянному значению и медленно исчезать при снятии нагрузки, как это происходит в модели Фохта. Последний тип вязкости называют иногда внутренней вязкостью, а о механическом поведении таких тел говорят как о запаздывающей упругости.

Истолкование эффектов вязкости в твердых телах в молекулярных масштабах не вполне ясно главным образом потому, что типы микроскопических процессов, которые приводят к рассеянию механической

энергии в форме тепла, относятся еще в значительной степени к области догадок. Тобольский, Пауэл и Эринг и Алфрей исследовали вязко-упругое поведение с помощью теории скоростных процессов. В этом подходе делается предположение, что каждая молекула (или каждое звено молекулярной цепочки в случае полимеров с длинными молекулярными цепочками) совершает тепловые колебания в "энергетическом колодце", образованном ее соседями. В результате тепловых флуктуаций время от времени появляется энергия, достаточная для того, чтобы молекула могла покинуть колодец, и при наличии внешних сил имеет место диффузия, одинаковая во всех направлениях. Скорость диффузии зависит от вероятности получения молекулой энергии, достаточной для того, чтобы покинуть колодец, и, следовательно, от абсолютной температуры тела. Если к телу приложено гидростатическое давление, высота энергетического колодца изменяется, скорость диффузии становится другой, но остается одинаковой во всех направлениях. При одноосном растяжении высота колодца в направлении растягивающего напряжения становится ниже, чем в направлении, перпендикулярном к нему. Поэтому молекулы с большей вероятностью будут распространяться параллельно растягивающему напряжению, чем в перпендикулярном к нему направлении. Это течение приводит к преобразованию упругой энергии, накопленной телом, в беспорядочное тепловое движение, которое в макроскопическом масштабе воспринимается как внутреннее трение. Там, где молекулы движутся целиком, течение будет необратимым, и поведение будет аналогично модели Максвелла, тогда как там, где звенья молекул перепутаны, материал ведет себя подобно модели Фохта и обнаруживает запаздывающую упругость.

Если сделать определенные предположения относительно формы колодца потенциальной энергии и природы молекулярных групп, которые в нем колеблются, то можно показать (Тобольский, Пауэл, Эринг , стр. 125), что теория приводит к механическому поведению тела, подобному тому, которое описывается моделями пружина- амортизатор, рассмотренными ранее в этой главе. В такой трактовке вопроса подчеркивается зависимость вязко-упругих свойств от температуры; из этой зависимости могут быть выведены термодинамические соотношения. Главное неудобство в приложении теории к реальным телам в количественном отношении связано с тем, что природа потенциального колодца для тел является в значительной мере предметом догадки и что часто несколько различных процессов могут протекать одновременно. Тем не менее, это пока почти единственный серьезный подход к молекулярному объяснению наблюдаемых эффектов, и он дает надежную базу для развития в будущем.

Потери происходят в однородных неметаллических телах главным образом подобно тому, как описано выше, и внутреннее трение связано скорее с неупругим поведением материала, чем с его макроскопическими тепловыми свойствами. В металлах, однако, имеются

потери теплового характера, которые, вообще говоря, более существенны, и Зенер рассмотрел несколько различных тепловых механизмов, приводящих к рассеянию механической энергии в форме тепла.

Изменения объема тела должны сопровождаться изменениями температуры; так, когда тело сжимается, его температура возрастает, а когда оно расширяется, температура понижается. Для простоты мы рассмотрим изгнбные колебания консольной пластинки (язычка). Каждый раз, когда язычок изогнут, внутренняя сторона нагревается, а наружная охлаждается, так что получается непрерывный поток тепла туда и обратно поперек язычка, совершающего нзгибные колебания. Если движение очень медленное, то перенос тепла совершается изотермически и, следовательно, обратимо, а потому при очень малых частотах колебаний не должно происходить никаких потерь. Если колебания происходят столь быстро, что теплота не имеет времени для перетекания поперек язычка, то условия становятся адиабатическими и попрежнему никаких потерь не возникает. При изгибных же колебаниях, периоды которых сравнимы с временем, необходимым для перетекания тепла поперек язычка, возникает необратимое превращение механической энергии в теплоту, наблюдаемое в виде внутреннего трения. Зенер показал, что для колеблющегося язычка специфическое рассеяние дается выражением

И - адиабатическое и изотермическое значения модуля Юнга материала, -частота колебаний, -релаксационная частота, которая для язычка прямоугольного поперечного сечения имеет выражение

здесь К - теплопроводность, удельная теплоемкость при постоянном давлении, плотность, толщина язычка в плоскости колебаний.

Бенневиц и Рётгер измерили внутреннее трение в немецких серебряных язычках при поперечных колебаниях. Результаты их экспериментов показаны на фиг. 29 вместе с теоретической кривой, полученной с помощью уравнения (5.60). При построении этой кривой не были использованы никакие произвольные параметры, причем соответствие между теорией и экспериментом поразительно хорошее. Ясно, что в области частот около (приблизительно 10 гц) теплопроводность в язычке является основной причиной внутреннего трения. Видно также, что при частотах, далеких от экспериментальные значения внутреннего трения выше тех, которые предсказываются теорией, и это указывает на то, что здесь становятся относительно более важными другие влияния. Продольное напряжение будет

порождать аналогичные эффекты, так как часть образца сжата, тогда как другая растянута, и в этом случае тепловой поток параллелен направлению распространения. Так как расстояние между областями сжатия и разрежения в этом случае равно половине длины волны, то потери, вызванные этой причиной, будут малыми при обычных частотах.

Фиг. 29. Сравнения значений внутреннего трения для немецких серебряных пластинок при поперечных колебаниях, измеренных Бенневицем и Рётгером и полученных по теоретическим соотношениям Зенера.

Описанный тип тепловых потерь имеет место независимо от того, однородно тело или нет. Если материал неоднороден, имеются дополнительные механизмы, приводящие к тепловым потерям. Так, в поликристаллическом материале соседние зерна могут иметь различные кристаллографические направления по отношению к направлению деформации и вследствие этого получать при деформировании образца напряжения различной величины. Поэтому температура будет изменяться от кристаллита к кристаллиту, вследствие чего будут возникать мельчайшие тепловые потоки через границы зерен. Как и в случае потерь, связанных теплопроводностью при колебаниях консоли, существует нижний предел частот, когда деформации протекают настолько медленно, что изменения объема совершаются изотермически без каких-либо потерь энергии, а также существует верхний предел частот, когда деформации протекают адиабатически, так что снова никаких потерь не происходит. Наибольшие потери имеют место, когда приложенная частота попадает

между этими двумя пределами; значение этой частоты зависит от размера кристаллического зерна и от теплопроводности среды. Зенер вывел выражение для частоты, при которой потери такого рода максимальны. Это уравнение аналогично (5.61) и имеет вид

где а - средний линейный размер зерна.

Рэндал, Роуз и Зенер измерили внутреннее трение в латунных образцах с различными размерами зерна и нашли, что при использованных частотах максимальное демпфирование наблюдалось, когда размер зерна был очень близок к тому, который определяется уравнением (5.62). Величина внутреннего трения, вызываемого этими микроскопическими тепловыми потоками, зависит от типа кристаллической структуры, так же как и от размера зерна, и возрастает при возрастании упругой анизотропии отдельных кристаллитов. Зенер (, стр. 89-90) предположил, что при очень высоких частотах тепловой поток почти полностью ограничивается непосредственной окрестностью границы зерна; это приводит к зависимости, согласно которой специфическое рассеяние пропорционально корню квадратному из частоты колебаний. Этот результат подтвержден экспериментально для латуни Рэндалом, Роузом и Зенером . При очень низких частотах, с другой стороны, тепловой поток происходит во всем материале; отсюда получается соотношение, согласно которому внутреннее трение пропорционально первой степени частоты. Экспериментальные результаты Зенера и Рэндала находятся в согласии с этим выводом.

Имеются два других типа тепловых потерь, о которых необходимо упомянуть. Первый связан с отводом тепла в окружающий воздух; скорость потерь по этой причине, однако, столь мала, что сказывается лишь при очень низких частотах колебаний. Другой вид потерь может возникнуть вследствие отсутствия теплового равновесия между нормальными формами колебаний Дебая; эти потери аналогичны демпфированию ультразвука в газах, вызванному конечностью времени, которое необходимо, чтобы тепловая энергия перераспределилась между различными степенями свободы газовых молекул. Однако в твердых телах равновесие между различными формами колебаний устанавливается настолько быстро, что внутреннее трение, вызванное подобной причиной, можно было бы ожидать заметным только при частотах порядка 1000 мггц. Теория описанного выше явления была рассмотрена Ландау и Румером и позже Гуревичем .

Для поликристаллических металлов исследовал внутреннее трение, вызванное "вязким скольжением" на границах кристаллов. Он провел эксперименты по затуханию крутильных колебаний в чистом алюминии и показал, что внутреннее трение в этом случае

можно точно вычислить в предположении, что металл на границах кристаллов ведет себя вязким образом.

Имеется еще два других процесса, происходящих в кристаллических телах при их деформациях, которые могли бы привести к внутреннему трению. Первый из них представляет собой движение в кристаллах областей беспорядка, которые называются дислокациями. Второй процесс состоит в упорядочении растворенных атомов при приложении напряжения; последнее имеет место в тех случаях, когда существуют примеси, растворенные в кристаллической решетке. Роль дислокаций в пластической деформации кристаллов впервые рассматривали Оровен , Паланей и Тейлор , и, хотя представляется вероятным, что движение этих дислокаций может часто являться существенной причиной внутреннего трения особенно при больших деформациях, точный механизм, по которому упругая энергия рассеивается, в настоящее время не выяснен (см. Бредфилд ). Влияние на внутреннее трение растворенных в кристаллической решетке примесей впервые рассмотрел Горский и позднее Сноэк . Основанием к тому, что наличие таких растворенных атомов приводит к внутреннему трению, служит то, что равновесное распределение их в напряженном кристалле отличается от равновесного распределения, когда кристалл ненапряжен. При приложении напряжения установление нового равновесия требует времени, так что деформация отстает от напряжения. Это вносит процесс релаксации, играющий важную роль для осциллирующих напряжений, период которых сравним с временем релаксации. Скорость, с которой равновесие устанавливается, зависит очень заметно от температуры, так что этот тип внутреннего трения должен быть очень чувствительным к температуре.

Частный случай внутреннего трения был обнаружен в ферромагнитных материалах. Беккер и Дёринг дали исчерпывающий обзор экспериментальных и теоретических исследований для материалов этого типа по важной для приложений задаче о магнитострикционном эффекте в возбуждении ультразвука. Найдено, что внутреннее трение в ферромагнитных материалах значительно больше, чем в других металлах, причем оно возрастает при их намагничивании; оно также быстро возрастает с ростом температуры при достижении точки Кюри.

Механизмом, который ослабляет волны напряжений в твердых телах, но который, строго говоря, не является внутренним трением, является рассеяние. Это явление возникает в поликристаллических металлах, когда длина волны становится сравнимой с размером зерна; Мезон и Мак-Скимин провели измерения эффекта рассеяния в алюминиевых стержнях и показали, что, когда длина волны сравнима с размером зерна, затухание обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Эта зависимость совпадает с той, которая дана Релеем (том II, стр. 194) для рассеяния звука в газах.