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流变学的研究对象

收录:2009-1-27  作者:王振东  来源:网络搜集  点击:1725
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流变学是研究材料的流动和变形的科学,它是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科。这里所说的材料既包括流体形态,也包括固体形态的物质。在常温常压下,物质可分为固体、液体和气体三种状态;特殊情况下,还有等离子态和超固态。气体和液体又合称为流体。从力学分析的角度,通常认为流体与固体的主要差别,在于它们对于外力的抵抗能力不同。固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时,固体将产生一定程度的相应变形。固体静止时,可以有法向应力和切向应力。而流体在静止时,则不能承受切向应力,微小的剪切刀将使流体产生连续不断的变形。只有当剪切力停止作用时,流体的变形方会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观性质,通常称为流动性。

一般认为,英国物理学家虎克于1678年首先提出了,在小变形情况下,固体的变形与所受的外力成正比。这一阐述弹性体变形与应力关系的基本规律,后来称为虎克定律。英国科学家牛顿在1687年最先提出了流体的应力和应变率成正比,后来将此称为牛顿黏性定律,并将符合这一规律的流体称为牛顿流体,其中包括最常见的流体—水和空气,而将不符合这一规律的流体称为非牛顿流体。上述两定律是在17世纪发表的,但直到19世纪末才由柯西、纳维、斯托克斯等人推广到三维变形和流动,并为科学界广泛接受。从那以后,虎克弹性固体力学和牛顿流体力学随着它在许多工程分支学科中的应用,而得到巨大的发展。但是流变学通常并不包括对上述两种情况的研究,流变学要研究更加复杂的材料。

流动的固体—流变学的研究对象之一

流动的固体,是指弹性形变与黏性流动同时存在的物体。“弹性形变”是指短暂的、能恢复原状的形变。而“黏性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变,它也被称为“流变”。过去一般谈固体时,是指只有弹性形变的物体;谈到流体时,是指只有黏性流动的流体。实际上,同时具有这两种性质的物体是很多的。

用钢棒和沥青棒作如下的实验(见图1)。将钢捧放在两支点上,棒的正中间放一重物,此时钢棒弯了;当重物取走时,弯曲了的钢棒能完全恢复原状(图1a)。钢棒此时是弹性形变。将沥青棒放到两支点上,如图1b那样,中间也放一重物。重物放置一段时间后取走,沥青捧稍恢复了一点,但并没恢复原状,还是弯的。这里的沥青棒,除有弹性形变外,己有了流变。如在沥青棒中间用手快速按一下,抬起手后,它能恢复原状,表现出很好的弹性。但若手按下较长时间再抬起,就己不能恢复原状。同是一根沥青捧,迅速按一下,它是弹性体;较长时间地按,又显现有流体的性质。

图1钢捧与沥青捧的变形

实际上很多物体,当外力作用的时间小于某一时间时,物体表现出弹性;当外力作用的时间大于这一时间,物体就会流变。这个时间就叫做物体的“缓和时间”。“缓和时间”是一个时间阈值,当外力作用时间超过此阈值时,物体的弹性就会“缓和”而产生流变。弹性体与流体之所以不同,也可认为只是其缓和时间不同而已。缓和时间无限长的物体,是理想的弹性体;缓和时间等于零的物体是理想的流体。具有弹性和黏性混合性质的物体,其缓和时间既不为零,也不是无穷大,它们就是可流动的固体,或者是有弹性的流体。

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