РЕОЛО́ГИЯ

РЕОЛО́ГИЯ (от греч. ῥέος – те­че­ние, по­ток и …ло­гия), нау­ка, пред­ме­том ко­то­рой яв­ля­ет­ся изу­че­ние ме­ха­нич. свойств ре­аль­ных ма­те­риа­лов с це­лью ус­та­нов­ле­ния осо­бен­но­стей их де­фор­ма­ции и те­че­ния. Тер­мин «Р.» пред­ло­жил Ю. Бин­гам при ор­га­ни­за­ции пер­во­го в ми­ре рео­ло­гич. об-ва в США и вы­пус­ка спе­циа­ли­зир. из­да­ния «Journal of Rheology» (ос­но­ван в 1929). В СССР ана­ло­гич­ное науч. об-во соз­да­но Г. В. Ви­но­гра­до­вым (1989). По сво­ему на­уч. со­дер­жа­нию Р. за­ни­ма­ет про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние ме­ж­ду ди­на­ми­кой вяз­кой жид­ко­сти и тео­ри­ей уп­ру­го­сти, ши­ро­ко опе­ри­ру­ет све­де­ния­ми из мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки, фи­зич. и кол­ло­ид­ной хи­мии, а в ка­че­ст­ве ап­па­ра­та ис­поль­зу­ет ме­то­ды ме­ха­ни­ки сплош­ной сре­ды.

Ис­ход­ные по­ня­тия Р. – вяз­кость и уп­ру­гость. Со­глас­но осн. за­ко­ну вяз­ко­го те­че­ния, ус­та­нов­лен­но­му И. Нью­то­ном (1687), для вяз­кой жид­ко­сти ско­рость де­фор­ми­ро­ва­ния про­пор­цио­наль­на на­пря­же­нию сдви­га, вы­зы­ваю­ще­го те­че­ние жид­ко­сти; ко­эф­фи­ци­ент про­пор­цио­наль­но­сти на­зы­ва­ет­ся ко­эф­фи­ци­ен­том ди­на­мич. вяз­ко­сти. Со­глас­но осн. за­ко­ну тео­рии уп­ру­го­сти, от­кры­то­му Р. Гу­ком (1660), для иде­аль­но­го твёр­до­го те­ла от­но­сит. де­фор­ма­ции про­пор­цио­наль­ны ме­ха­нич. на­пря­же­ни­ям; ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти – мо­дуль уп­ру­го­сти, или Юн­га мо­дуль. Для ре­аль­ных сред на­блю­да­ют­ся от­кло­не­ния от этих край­них слу­ча­ев. Для при­род­ных и тех­нич. ма­те­риа­лов ха­рак­тер­ны разл. со­че­та­ния  не­об­ра­ти­мых де­фор­ма­ций (те­че­ния) и об­ра­ти­мых де­фор­ма­ций (уп­ру­го­сти). По­это­му прак­ти­че­ски все ре­аль­ные ма­те­риа­лы и сре­ды яв­ля­ют­ся вяз­ко­уп­ру­ги­ми (см. Вяз­ко­уп­ру­гость), а вклад де­фор­ма­ций раз­но­го ти­па за­ви­сит от мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры ве­ще­ст­ва, темп-ры, ве­ли­чи­ны при­ло­жен­ной на­груз­ки и дли­тель­но­сти её воз­дей­ст­вия. Часть ра­бо­ты внеш­них сил при де­фор­ми­ро­ва­нии вяз­ко­уп­ру­гих ма­те­риа­лов рас­сеи­ва­ет­ся в ви­де те­п­ло­ты (как в вяз­кой жид­ко­сти), а часть со­хра­ня­ет­ся в ве­ще­ст­ве (как в уп­ру­гих ма­те­риа­лах).

Для ли­ней­ных вяз­ко­уп­ру­гих сред (­линей­ных сис­тем) де­фор­ма­ции и ско­ро­сти де­фор­ми­ро­ва­ния так­же про­пор­цио­наль­ны на­пря­же­ни­ям, но связь ме­ж­ду эти­ми ве­ли­чи­на­ми вы­ра­жа­ет­ся не по­сто­ян­ны­ми ко­эф­фи­ци­ен­та­ми, а не­ко­то­ры­ми функ­ци­я­ми вре­ме­ни. Это при­во­дит к разл. вре­мен­ным эф­фек­там. К их чис­лу от­но­сят­ся: пол­зу­честь (воз­рас­та­ние де­фор­ма­ции во вре­ме­ни при по­сто­ян­ном на­пря­же­нии), для опи­са­ния ко­то­рой ис­поль­зу­ют­ся тео­ре­тич. пред­став­ле­ния Л. На­вье (1822–1827), У. Том­со­на (1888) и экс­пе­рим. на­блю­де­ния пол­зу­че­сти во­ло­кон В. Э. Ве­бе­ра (1835), пол­зу­че­сти же­ла­ти­ны рос. фи­зи­ко­хи­ми­ка Ф. Н. Шве­до­ва (1889–90), и ре­лак­са­ция (убы­ва­ние на­пря­же­ния при со­хра­не­нии де­фор­ма­ции) – тео­ре­тич. пред­став­ле­ния С. Пу­ас­со­на (1831), Дж. К. Мак­свел­ла (1867) и экс­пе­рим. на­блю­де­ния Ф. Коль­рау­ша (1863). Для ли­ней­ных вяз­ко­уп­ру­гих сред влия­ние лю­бо­го на­пря­же­ния на де­фор­ма­ции не за­ви­сит от ос­таль­ных дей­ст­вую­щих на­пря­же­ний (прин­цип су­пер­по­зи­ции Больц­ма­на – Воль­тер­ры).

Яв­ле­ния ре­лак­са­ции и за­паз­ды­ва­ния на­блю­да­ют­ся так­же при пе­рио­дич. ко­ле­ба­ни­ях, осу­ще­ст­в­ляе­мых в очень ши­ро­ких час­тот­ных диа­па­зо­нах. Бы­ло ус­та­нов­ле­но (А. П. Алек­сан­д­ров с со­ав­то­ра­ми в 1939, амер. фи­зи­ко­хи­мик Г. Ли­дер­ман в 1943), что од­ни и те же по­ка­за­те­ли ме­ха­нич. свойств вяз­ко­уп­ру­гих ма­те­риа­лов мо­гут на­блю­дать­ся при варь­и­ро­ва­нии ли­бо час­то­ты, ли­бо темп-ры. Этот прин­цип тем­пе­ра­тур­но-час­тот­ной (или вре­мен­ной) су­пер­по­зи­ции яв­ля­ет­ся след­ст­ви­ем ре­лак­са­ци­он­ной при­ро­ды де­фор­ма­ций аморф­ных ма­те­риа­лов. Со­глас­но ему, сле­ду­ет оце­ни­вать не со­стоя­ние аморф­ных ма­те­риа­лов (стек­ло­об­раз­ное, вы­со­ко­эла­сти­че­ское, те­ку­чее), а ха­рак­тер по­ве­де­ния, за­ви­ся­щий как от темп-ры, так и от дли­тель­но­сти на­блю­де­ния за раз­ви­ти­ем де­фор­ма­ции. Гра­ни­ца со­стоя­ний оп­ре­де­ля­ет­ся кри­те­ри­ем Де­бо­ры – от­но­ше­ни­ем вре­ме­ни ре­лак­са­ции к ха­рак­тер­но­му мас­шта­бу вре­ме­ни на­блю­де­ния или дей­ст­вия внеш­ней на­груз­ки. При боль­шой дли­тель­но­сти на­блю­де­ния ма­те­ри­ал (сре­да) ве­дёт се­бя как жид­кость (те­чёт), при ма­лых – как твёр­дое те­ло (де­фор­ми­ру­ет­ся уп­ру­го).

Ли­ней­ные со­от­но­ше­ния от­но­сят­ся к об­лас­ти ма­лых на­пря­же­ний и де­фор­ма­ций, то­гда как прак­ти­че­ски все ре­аль­ные ма­те­риа­лы де­мон­ст­ри­ру­ют ог­ром­ное мно­же­ст­во не­ли­ней­ных эф­фек­тов. Воз­мож­ны сле­дую­щие при­чи­ны не­ли­ней­но­сти рео­ло­гич. по­ве­де­ния: боль­шие де­фор­ма­ции (гео­мет­рич. не­ли­ней­ность), струк­тур­ные пре­вра­ще­ния и фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, вы­зван­ные де­фор­ми­ро­ва­ни­ем (фи­зич. не­ли­ней­ность). Наи­бо­лее важ­ным из них яв­ля­ет­ся пе­ре­ход от твер­до­об­раз­но­го по­ве­де­ния к те­че­нию (или пла­стич. де­фор­ма­ци­ям). Та­кие ве­ще­ст­ва, как ла­ко­кра­соч­ные ма­те­риа­лы, на­пол­нен­ные рас­пла­вы по­ли­ме­ров, мн. пи­ще­вые про­дук­ты, пас­ты и кре­мы, в от­сут­ст­вие внеш­не­го воз­дей­ст­вия со­хра­ня­ют свою фор­му по­доб­но твёр­дым те­лам, но при пре­вы­ше­нии не­ко­то­ро­го по­ро­га по на­пря­же­нию, на­зы­вае­мо­го пре­де­лом те­ку­че­сти, те­кут по­доб­но жид­ко­стям. По­доб­ные ма­те­риа­лы на­зы­ва­ют вяз­ко­пла­стич­ны­ми (см. Вяз­ко­пла­стич­ность). Пла­стич­ность, т. е. спо­соб­ность течь при боль­ших на­пря­же­ни­ях, на­блю­да­ет­ся для мн. твёр­дых ве­ществ, вклю­чая кри­стал­ли­че­ские (ме­тал­лы, гор­ные по­ро­ды и др.), аморф­ные (бе­тон) и мно­го­ком­по­нент­ные (пас­ты, кре­мы) ма­те­риа­лы. Не­ли­ней­ность за­ви­си­мо­сти де­фор­ма­ции от на­пря­же­ний ха­рак­тер­на так­же для ре­зин, спо­соб­ных к боль­шим об­ра­ти­мым (вы­со­ко­эла­сти­че­ским) де­фор­ма­ци­ям (см. Вы­со­ко­эла­сти­че­ское со­стоя­ние).

При де­фор­ми­ро­ва­нии внутр. струк­ту­ра всех этих ма­те­риа­лов мо­жет из­ме­нять­ся, и её вос­ста­нов­ле­ние про­ис­хо­дит во вре­ме­ни. Яв­ле­ние за­паз­ды­ва­ния струк­тур­ных про­цес­сов в ре­зуль­та­те де­фор­ми­рова­ния или от­ды­ха не­на­гру­жен­но­го ма­те­риа­ла на­зы­ва­ют тик­со­тро­пи­ей (ха­рак­тер­но для са­мых раз­но­об­раз­ных ве­ществ: пи­ще­вых про­дук­тов, ла­ко­кра­соч­ных и стро­ит. ма­те­риа­лов, кон­си­стент­ных сма­зок и др.).

При те­че­нии мно­го­ком­по­нент­ных и уп­ру­гих сис­тем на­блю­да­ют­ся та­кие спе­цифич. эф­фек­ты, изу­чае­мые Р., как за­ви­си­мость эф­фек­тив­ной вяз­ко­сти от ско­ро­сти де­фор­ми­ро­ва­ния (ано­ма­лия вяз­ко­сти), по­яв­ле­ние на­пря­же­ний, нор­маль­ных к плос­ко­сти сдви­га (эф­фект Вай­сен­бер­га), воз­рас­та­ние вяз­ко­сти при уве­ли­че­нии ско­ро­сти де­фор­ми­ро­ва­ния (ди­ла­тан­сия), де­фор­ма­ци­он­ное твер­дение.

В тео­ре­тич. Р. лю­бые ве­ще­ст­ва рас­смат­ри­ва­ют­ся как сплош­ные сре­ды и центр. ме­сто за­ни­ма­ет фе­но­ме­но­ло­гич. фор­му­ли­ров­ка со­от­но­ше­ний ме­ж­ду на­пря­же­ния­ми и де­фор­ма­ция­ми, на­зы­вае­мых рео­ло­гич. урав­не­ния­ми со­стоя­ния ве­ще­ст­ва, и их тер­мо­ди­на­мич. и мо­ле­ку­ляр­но-фи­зич. обос­но­ва­ние. Эти урав­не­ния ис­поль­зу­ют для ре­ше­ния разл. за­дач ме­ха­ни­ки сплош­ных сред.

В мик­ро­рео­ло­гии осн. вни­ма­ние уде­ля­ет­ся изу­че­нию влия­ния внутр. струк­ту­ры ве­ще­ст­ва, пре­ж­де все­го дис­перс­ных и иных мно­го­ком­по­нент­ных сис­тем, на их по­ве­де­ние при де­фор­ми­ро­ва­нии. Ре­зуль­та­том яв­ля­ет­ся ус­та­нов­ле­ние за­ви­си­мо­стей ме­ха­нич. свойств ве­ществ от их со­ста­ва (кон­цен­тра­ции, мо­ле­ку­ляр­ных ха­рак­те­ри­стик) и взаи­мо­дей­ст­вий ме­ж­ду об­ра­зую­щи­ми его ком­по­нен­та­ми.

Для экс­пе­рим. из­ме­ре­ния рео­ло­гич. свойств те­ку­чих сред ис­поль­зу­ют ме­то­ды рео­мет­рии. Су­ще­ст­вен­ный про­гресс до­стиг­нут в со­че­та­нии соб­ст­вен­но рео­ло­гич. ме­то­дов из­ме­ре­ния ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­стик ве­ще­ст­ва и иных ме­то­дов экс­пе­рим. фи­зи­ки (оп­тич. спек­тро­ско­пии в разл. час­тот­ных диа­па­зо­нах, ви­зуа­ли­за­ции те­че­ний и де­фор­ма­ций и др.), по­зво­ляю­щих ус­та­нав­ли­вать со­от­но­ше­ния ме­ж­ду струк­ту­рой и свой­ст­ва­ми ма­те­риа­ла.

По сво­им прак­тич. при­ло­же­ни­ям Р. свя­за­на с тех­но­ло­ги­ей пе­ре­ра­бот­ки ма­те­риа­лов (по­ли­ме­ров, пи­ще­вых ма­те­риа­лов, фар­ма­цев­тич. и кос­ме­тич. средств, стро­ит. ма­те­риа­лов, по­рош­ков) и их транс­пор­ти­ров­кой; оцен­кой пе­ре­ме­ще­ний при­род­ных сред (грун­тов, лед­ни­ков); опи­са­ни­ем ме­ха­нич. свойств био­ло­гич. объ­ек­тов (те­че­ни­ем кро­ви, де­фор­ма­ци­ей кож­ных по­кро­вов и кос­тей); инж. про­бле­ма­ми ра­бо­то­спо­соб­но­сти ма­те­риа­лов при дли­тель­ных на­груз­ках, вы­со­ких темп-рах и боль­ших де­фор­ма­ци­ях. Ис­поль­зо­ва­ние ме­то­дов Р. по­зво­ля­ет ре­шать ши­ро­кий круг за­дач, напр., при оп­ре­де­ле­нии пла­стич. де­фор­ма­ций ме­тал­лов при их тех­но­ло­гич. об­ра­бот­ке (ков­ке, штам­пов­ке и др.), рас­чё­те тру­бо­про­во­дов при пе­ре­кач­ке неф­ти и неф­те­про­дук­тов, про­ек­ти­ро­ва­нии обо­ру­до­ва­ния при фор­мо­ва­нии из­де­лий из по­ли­ме­ров, оцен­ке пол­зу­че­сти жа­ро­стой­ких ста­лей при вы­со­ких темп-рах, пла­ст­масс и грун­тов. Ме­то­ды Р. при­ме­ня­ют так­же при стан­дар­ти­за­ции ус­ло­вий срав­не­ния раз­но­об­раз­ных ма­те­риа­лов, вклю­чая по­ли­ме­ры, смаз­ки, эмуль­сии и др.

Пер­спек­ти­вы раз­ви­тия Р. свя­за­ны с усо­вер­шен­ст­во­ва­ни­ем экс­пе­рим. тех­ни­ки, соз­да­ни­ем и обос­но­ва­ни­ем но­вых фи­зич. и фе­но­ме­но­ло­гич. мо­де­лей, раз­ви­ти­ем вы­чис­лит. ме­то­дов для ре­ше­ния при­клад­ных за­дач.