3.1 Отклик на внешнее механическое воздействие

Наука, формулирующая правила и законы механического поведения твёрдо- и жидкообразных тел, называется реологией. Основным методом анализа является рассмотрение механических свойств на определённых идеализированных моделях, в виде реальных тел, поведение которых описывается небольшим числом параметров. Связь между внешним воздействием (напряжением) и внутренним откликом (в форме деформации) во времени, как выражением механического поведения реального тела, и есть составляющие реологии. Основополагающими при определении свойств реального тела являются химические связи. Химические связи, зависящие от электронной структуры материала, непосредственно определяют его физико-механические свойства. Пять видов химической связи определяют структуру материалов реальных тел; для большинства материалов характерна комбинация различных видов связи. Ионная связь образуется между ионами — положительно или отрицательно заряженными атомами: противоположно заряженные, ионы притягиваются друг к другу. При ковалентной связи пары атомов имеют общие электроны на внешних оболочках. В металлах все электроны на внешних оболочках являются общими для всех атомов; они свободно передвигаются в кристаллической решетке, благодаря чему металлы явля­ются хорошими проводниками электрического тока. Ван-дерваальсова связь характеризуется слабым взаимным притяжением соседних нейтральных атомов или молекул. Слабая водородная связь образуется благодаря наличию общего для двух молекул атома водорода.

Тела материального мира различают по ярко выраженным механическим свойствам, при этом отклик реального тела на внешнее воздействие приобрели имена учёных выделивших и определивших механические свойства. Таким образом, мы имеем: «Эвклидово тело», «Гуково тело», «Сен-Венаново тело», «Реологическое тело», «идеально вязкое Ньютоново тело», «идеальная Паскалева жидкость».

1. Эвклидово тело. Тело рассматривается как абсолютно твердое.

X2  () X1  ()	При любых нормальных и касательных напряжениях деформация равна нулю. Эти свойства, нулевой деформации тел, применяются в теоретической механике.
Рисунок 1

2. Гуково тело. Теория упругости. Роберт Гук (1635…1705), английский естествоиспытатель и изобретатель. Закон Гука: "Сила любого упругого тела находится в постоянном отношении с удлинением, поэтому если одна сила растягивает или изгибает его на определённую величину, то две силы будут изгибать его на две такие величины, три – на три и так далее. И это есть Правило, или Закон, Природы, в соответствии с которым и происходят все виды Восстанавливающего, или Упругого, движения".

X 2  () X1  ()	Напряжение пропорционально деформации. Линейная зависимость пропорциональности описывается законом Гука  ·. Упругое тело обладает полной механической и термодинамической обратимостью.
Рисунок 2

В упругом состоянии деформации обратимы, и вся энергия, затраченная на деформирование, при снятии нагрузки возвращается (диссипация энергии отсутствует). Для любого твёрдого тела процесс деформирования начинается с упругой деформации. Жесткость, т.е. способность тела после деформирования возвращаться к первоначальной форме, является характерной способностью твёрдых тел. Количественно жесткость может характеризоваться модулем упругости Е или модулем сдвига G. Модуль упругости при деформации определяется опытным путём по экспериментальным данным. Полученные параметры характеризуют зависимость между напряжением и деформацией при одноосном растяжении-сжатии. Зависимость определяющая модуль упругости Е, в упругой области деформаций, для многих упругих материалов близка к линейной, поэтому принимается расчётное уравнение

E =

где Р₂,Р₁ – конечная и начальная нагрузка, Н; l,A – длина и площадь поперечного сечения образца; l₁ и l₂ –начальная и конечная деформация образца.

Упругое тело характеризуется пропорциональностью напряжений и деформаций (закон Гука). Чем больше напряжение, тем больше деформация и наоборот. Графически закону Гука отвечает прямая линия, проходящая через начало координат. Характерной особенностью упругого тела является его полная механическая и термодинамическая обратимость: при снятии нагрузки восстанавливается первоначальная форма тела, не происходит рассеяния энергии. Энергия упругого тела может определиться, в соответствии с формулой

W_упр= = = .

Упругость при сдвиге свойственна, прежде всего, твёрдым телам. Природа упругости заключается в обратимости, малых деформаций межатомных связей. Модуль упругости характеризует материал реального тела, зависит от характера взаимодействий в твёрдом теле. Т

3.Сен-Венаново тело

Пластичное тело или необратимая деформация. Барре де Сен-Венан (1797…1886), крупный французкий учёный в области механики, его основные труды посвящены теории упругости, сопротивлению материалов и гидродинамики. Принцип Сен-Венана: "Способ приложения и распределения сил по концам призм, безразличен для эффектов, вызванных на остальной длине, так что всегда возможно с достаточной степенью приближения заменить приложенные силы статически эквивалентными силами, т.е. имеющими тот же полный момент и ту же равнодействующую, но с распределением точно таким, какое требуют формулы растяжения, изгиба и кручения для того, чтобы стать совершенно точными".

X 2  () X1  ()	При достижении предельного напряжения сдвига начинаются пластические деформации. Пластичность – это необратимая деформация, отсутствует пропорциональность между воздействиями и деформациями. При напряжениях меньше предела текучести деформация не происходит
Рисунок 3

Пластичность, как свойство Сен-Венанова реологического тела, основывается на опытах истечения металлов через отверстия проводившихся французским инженером Треска. Сен-Веннан высказал предположение, что в пластическом состоянии максимальное касательное напряжение имеет одно и то же постоянное значение для данного материала, т.е. может быть принято в качестве критерия пластичности.

Природа пластичности проявляется в процессах разрыва и перестройки межатомных связей. При напряжениях, меньших предельного напряжения сдвига (предел текучести _т) деформация не происходит ( = 0). При достижении напряжения _т наступает деформация с соответствующей напряжению скоростью, т.е. начинается пластическое течение. При этом происходит диссипация энергии – превращением всей совершённой работы в теплоту. Скорость рассеивания энергии определяется скоростью деформации

W_д = ·(d/dt).

Такая зависимость характерна для сухого трения. Модель пластического поведения, как проявление сухого трения, могут служить две поверхности с коэффициентом трения f_тр, которые прижаты друг к другу нормальной силой, что касательная сила F_тр численно равна предельному напряжению сдвига рассматриваемого вещества.

Пластичность характерна для полимерных веществ, поликристаллических и разнообразных дисперсных структур.

4. Реологическое тело. Характеризуется линейными или нелинейными зависимостями свойств деформации от напряжения. Нелинейные зависимости свойств, требуют эмпирического определения параметров. Изучаются физико-химической механикой и реологией.

X2  () X1  ()	Бингамова жидкость.
Рисунок 4

5.Идеально вязкое, Ньютоново тело.

Вязкое тело определяет поведение жидких и жидкообразных состояний многих веществ. Вязкость характеризуется пропорциональностью напряжения и скорости деформации в соответствии с законом вязкости для идеально вязких жидкостей (ньютоновых жидкостей) при постоянной вязкости. Если вязкость становится переменной жидкость не идеально вязкая и имеет структурную составляющую.

Х 2  () X1 ddt	Напряжение пропорционально градиенту скорости в первой степени в соответствии с уравнением Ньютона  G·(ddt). Вязкость механически и термодинамически необратима, т.е. после прекращения воздействия напряжения сдвига исходная форма тела не восстанавливается.
Рисунок 5

При этом для структурированных жидкостей применяется термин неньютоновых жидкостей, а вязкость становится зависимой от внешних и внутренних условий состояния вещества. Вязкость механически и термодинамически полностью необратима т.е. после снятия напряжения исходная форма тела не восстанавливается. Вязкость сопровождается диссипацией энергии

W_д = ··² .

Природа вязкости связана с самодиффузией - переносом массы вследствие последовательных актов обмена местами между атомами в их тепловом движении низкомолекулярного состояния. Или преодоления сил зацепления в высокомолекулярном (структурированном) состоянии вещества. Приложенное напряжение меняет потенциальный барьер внутренних взаимодействий. В итоге обнаруживается макроскопическая деформация.

6. Идеальная или Паскалева жидкость. Вязкость и сжимаемость равна нулю.

X 2  () X1 	При любых напряжениях (давлениях) сжимаемость жидкости равна нулю.
Рисунок 6

Обычно рассматривают три простейшие модели механического поведения: упругого, пластичного, вязкого,.

Реализация структуры вещества в материале изделия определяется предшествующей историей синтеза сырьевого вещества. При этом структура, свойства и потребительские характеристики проявляются в изделии в совокупности при обработке сырьевого материала с помощью химического, физического или механического воздействия. Технологию воздействия можно определить как регулирование или модифицирование внутренней структуры материала на любом уровне с целью достижения желаемых свойств и потребительских характеристик. Наличие структуры в дисперсной системе придает ей своеобразные механические свойства (упругость, пластичность, вязкость), которые непосредственным образом связаны с молекулярными взаимодействиями этих дисперсных частиц, особенностями строения и теплового движения образованных из них структурных элементов.

Любой материал обладает также определенными свойствами, под которыми понимается характерная реакция материала на внешнее воздействие. Например, механические воздействия характеризуют материал, по пределу прочности и модулю упругости, характеристики определяющие способность материала к деформации, когда к нему прикладывается нагрузка. Эластично изменит свою форму изделие или пластично сдвинутся слои материала под действием приложенной к нему возрастающей силы? Когда произойдет то или другое? Если изделие эластично изменит свою форму, то выпрямится ли после того, как воздействие силы прекратится? Технология переработки пищевых масс должна учитывать закономерности образования и разрушения структур и контактов между частицами веществ находящихся в соприкосновении, при их движении в объеме технологического пространства. При этом скорости гетерогенных химикотехнологических процессов пропорциональны активной поверхности взаимодействия фаз. Раскрытие внутренней структуры материалов создало основу для понимания твердого состояния вещества вообще и конкретных материалов в частности. Объединение знаний, полученных теоретическим и опытным путем, позволяет не только разработать более эффективные методы обработки природных материалов, но и создать огромное количество новых искусственных материалов. Эти достижения науки, сформировавшейся на основе интеграции научных дисциплин химии, физики и механики и получившей название физико-химической механики создают теоретические основы технологиям переработки материалов. Исследователи имеют дело с изучением взаимосвязи между структурой, свойствами и поведением материалов, а также зависимости этих взаимосвязей от методов обработки. Такому изучению способствует большой выбор новых приборов и методов, которые позволяют все глубже и глубже проникать в природу материалов. Генри Сорби в 1866 г. с помощью оптического микроскопа сумел разглядеть микроструктуру стали. На смену оптическому микроскопу пришел растровый электронный микроскоп, с помощью которого стало возможным получать информацию о пространственной структуре поверхности. Современные высокотехнологичные электронные носители информации позволяют составлять и сохранять эталоны в банке данных органолептических характеристик высококачественного изделия. Сравнивая органолептические характеристики эталонного изделия с органолептическими характеристиками исследуемого изделия по необходимым показателям можно избежать субъективной оценки качества. При этом можно оценить нарушение технологического режима обработки материала и дать оценку качеству изделия. Сравнительные экспертные оценки качества изделия по поверхности среза или разлома материала с эталоном создадут условия объективности экспертизы.