3.2.3. Последействие
Величина предела прочности воды = 3*10-4 Па , определённая здесь в инерционном вискозиметре рис. 3.1, по порядку величины согласуется cо значениями , определёнными в плёнке на поверхности кристалла пьезокварца в /130/; там =10-2 дин/см2 или 10-3 Па. Прочность жидкости в плёнке, вероятно, нарастает с приближением к границе твёрдого тела.
Физическая природа выявляемой прочности и сдвиговой упругости жидкостей, очевидно, такая же, как у обычных студней. Действительно, время Tр релаксации механических напряжений (или формы) Tр=/G трёх изученных жидкостей оказывается почти одинаковым, причём по порядку величины примерно таким же , как у реальных студней ( например, желатиновых) или у веществ с “последействием” [32] ; для обсуждаемого времени релаксации получились значения от 0.9 до 10 с.
“Последействие” часто демонстрируют следующим образом: если бразец такого вещества быстро растянуть в несколько раз , то он затем медленно сокращается в течение, например, одной минуты, причем полурелаксация формы занимает примерно 10 с (Тр=10 с). Последействие изучено на примере ряда сплавов [32].
В качестве общеизвестного бытового примера вещества с последействием обычно приводят мучное тесто. Действительно, кусочек теста , растянутый в 3-4 раза, затем медленно сокращается за время порядка минуты.
Кусочек теста, замороженный в растянутом состоянии, “помнит” о своей исходной форме; после оттаивания возобновляется то же сокращение.
Если растянутый образец такого вещества быстро охладить и перевести в область твёрдого состояния, то он сохраняет измененную форму, но при нагреве до прежней температуры опять начинает сокращаться например, вдвое за 10 секунд. Ряд применений нашли металлические сплавы с подобным последействием, образцы которых “помнят” бывшую ранее форму.
Если вязкость мала и вещество растекается, то последействие можно наблюдать в описанном инерционном вискозиметре. При значительном сопротивлении и малой инерционной массе затухающие колебания переходили в апериодическое движение; после быстрого поворота шпинделя он медленно, например, в течение минуты, возвращается к исходному положению. Деформированная застудневшая жидкость медленно восстанавливает исходную форму. Как по скорости процесса (полурелаксация примерно за 10 с, Тр=10 с), так и по его физической сути это восстановление исходной конфигурации системы подобно последействию в упоминавшихся сплавах и в коллоидных системах. В каждом из подобных процессов проявляется упругость сдвига, модуль которой много меньше “нормального” модуля, характеризующего упругость межатомных или межмолекулярных взаимодействий.
В настоящее время из межатомных потенциалов достаточно точно рассчитываются напряжения сдвига, возникающие при деформации атомарной решётки кристалла или сетки стекла и жидкости , то есть модуль сдвига G по межатомным или межмолекулярным взаимодействиям [107]. Этот модуль обычно имеет величину порядка 1011 Па, не зависит от вязкости, мало изменяется при нагреве и плавлении; соответствующее ему время релаксации при малой вязкости имеет “микроскопическую” величину, например, порядка времени атомарных колебаний, Тр=10-11 с.
Cдвиговая упругость жидкости, измеряемая в инерционном вискозиметре, имеет много меньшую, а время релаксации - много большую величину (например, на 10-15 порядков величины). У жидкостей и студней мы наблюдаем, очевидно, не “межмолекулярную”, но качественно иную, меньшую, упругость сдвига, быстро убывающую при нагреве (наклонная зависмость на рис 3.4.) и подобную упругости последействия. Здесь наблюдается не межмолекулярная, а какая-то качественно иная, и много меньшая, упругость сдвига. Можно предполагать, что это упругость не по межмолекулярным, но по стабилизирующим структуру взаимодействиям Fст.
В интервале затвердевания модуль сдвига жидкости пропорционален вязкости, и в точке стеклования достигает постоянной величины, нормальной для твёрдых тел.
В координатах lgG - lg обсуждаемые значения сдвиговой упругости жидкостей и студней ложатся практически на одну прямую с угловым коэффициентом, равным единице, причем корреляция охватывает интервал длиною 15 порядков величины по вязкости, (см. рис. 3.4); “межмолекулярной” упругости сдвига здесь соответствует горизонталь. Зависимость lgG - lg на рис. 3.4 даёт излом в точке стеклования, как и многие другие зависимости. Точку Тст можно определить как температуру, при которой наблюдаемая упругость сдвига достигает “межмолекулярной” величины, то есть значений, рассчитываемых из потенциалов (r) межчастичного взаимодействия. При более высоких температурах упругость сдвига жидкости меньше этого значения.
Рис. 3.4 Зависимость модуля сдвига застудневшей жидкости от её вязкости (схема): 1 - вода, 2 - глицерин, 3 - В2О3, 4 - желатиновый студень, 5 - жидкость в точке стеклования, 6 - кристаллы