1.2 Краткая история развития реологии как науки

Исторические истоки реологии в широком смысле можно отнести к очень древним временам, когда человечество только начинало осознавать особенности механического поведения окружающего материального мира. В настоящее время известен ряд работ по механике, которые можно отнести к древним истокам реологии: работу Архимеда (ок. 287— 212 гг. до н. э.) «О плавающих телах»; Герона Александрийского (примерно 100 г. н. э.) «Пневматика», в которой опи­сывается эолипил, основанный на принципе действия активной турбины; Алек­сандра Афродитского (вторая половина II в. н. э.), который рассматривал взаимо­действие корабля, весла и воды.

Отдельные элементы реологии были известны с XVII века. Одним из наиболее известных законов, используемых в реологии, является закон Р. Гука (1676) о механическом поведении деформируемых тел («каково удлинение, такова сила»).

И. Ньютон (1643 - 1727) ввел элементы теории движения жидкости и твердых тел в сопротивляющейся среде; с его именем связан простейший линейный закон вязкого сдвигового течения жидкостей.

Бернулли является одним из основоположников биореологии. В 1705 г. при исследовании деформации лесы из кишки он получил параболическую зависимость деформации растяжения от нагрузки, наблюдая, таким образом, нелинейную упругость. В книге Бернулли «Гидродинамика» (1738 г.) есть задача о течении жидкости в трубе. Задачу течения жидкости в трубе решал также Г. Гаген, однако он полагал, что скорости течения в трубе распределяются по треугольному закону. Правильное решение задачи о распределении скоростей течения в трубе носит имя Ж. Л. Пуазейля. В реологии широко используются достижения классической гидроаэродинамики, в частности универсальное уравнение Навье - Стокса о течении различных сред.

В работах М. В. Ломоносова (1711 - 1765) изложено описание капиллярных вискозиметров, одних из важнейших реометрических устройств.

В работах Л. Эйлера (1707 - 1783) рассматривается движение материальных точек в среде с сопротивлением.

Основы теории упругости заложили Симеон Дени Пуассон (1781-1840) и Огюстен Луи Коши (1789 - 1857). Учеником Пуассона был М. В. Остроградский. Можно отметить работу Пуассона «Мемуар об общих уравнениях равновесия и движения твердых упругих тел» и работу Остроградского «О волнообразном движении жидкости в цилиндрическом сосуде» (1826 г.).

В 1875 г. в Британской энциклопедии была напечатана работа Томсона (лорда Кельвина) «Эластичность». В теоретических работах Д. Максвелла (1868) приведены уравнения упруго-вязкой релаксирующей среды и введено понятие «релаксация напряжений».

Д. И. Менделеев в 1880 г. указал, что сопротивление движению при малых скоростях пропорционально скорости, а при больших — квадрату скорости. Это отмечается и в работе Осборна Рейнольдса (1883 г.). Он также изучал и другое явление - изменение объема, вызванное сдвигом. Рейнольдс ввел термин «дилатансия».

В 1883 г. Петров заложил основы гидродинамической теории смазки машин, а в 1885 г. предложил конструкцию вискозиметра.

В 1837 г. Н. Д. Брашман опубликовал работу «Теория равновесия тел твердых и жидких или статика и гидростатика».

Впервые реологические свойства раствора желатина с помощью ротационной вискозиметрии изучал профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов (1890 г.). Результаты этих исследований стали основой для вывода дифференциального уравнения состояния, являющегося развитием гипотезы Ньютона о сопротивлении деформированию реального пластично-вязкого тела. Изучая релаксационные процессы в коллоидных растворах желатина, Ф. Н. Шведов применил ротационный прибор с электродвигателем и торсионной подвеской и предвосхитил работу Ю. Бингама, создав более общую реологическую модель, частным случаем которой является реологическая модель Бингама. Шведова считают одним из основоположников реологии дисперсных систем.

Механические модели для описания свойств материалов ввели в 1902 г. Дж. Г. Пойнтинг и У. Томсон.

Первыми значительными теоретическими работами по микрореологии считаются статьи А. Эйнштейна, опубликованные в 1906 и 1911 гг., в которых определен коэффициент кинематической вязкости дисперсной смеси из сферических твердых частиц и ньютоновской жидкости.

Таким образом, в начале XX века реология была выделена в самостоятельную науку. Согласно М. Рейнеру, моментом возникновения реологии можно считать 1919 г., когда вышла фундаментальная реологическая работа Бингама - теория пластичного потока, базирующаяся на некоторых разделах физики, теории упругости, гидродинамики и других наук, обеспечившая получение аналитических уравнений для расчета деформации (течения) пластично-вязких материалов.

Авторство в названии особой отрасли науки — реологии, видимо, также следует признать за Бингамом.

Развитие основ теории ротационных вискозиметров Н. П. Петровым (1885), интегрирование дифференциального уравнения Ф. Н. Шведова для вискозиметра с вращающимися цилиндрами, выполненное Б. П. Вайнбергом (1912), а также дифференциального уравнения Ю. Бингама, выполненное Э. Букингамом, явились важным этапом становления реологии как науки, что обусловило создание в 1928 г. Американского реологического общества.

В результате работ Мизеса и Хенки к 1924 г. была разработана гипотеза о начале пластического течения материалов в момент, когда удельная энергия формоизменения достигает определенного предела.

В 1925 - 1926 гг. Оствальд де Вале и его ученики ввели термин «структурная вязкость», в 1929 году Рейнер - «неньютоновские жидкости», в том же 1929 г. была опубликована важная работа по теории капиллярных вискозиметров Рабиновича.

В 30-е годы XX века М.П. Воларовичем и др., а также учёными Шофильдом и Скотт-Блэром было показано, что, например, мучное тесто проявляет комплекс реологических свойств: упругие, пластические, вязко-упругие и нелинейные вязкие. Оно может быть отнесено к биологическим полимерам сложного состава.

В 1947 г. Вейссенберг опубликовал сообщение о весьма любопытном реологическом эффекте, получившем позже его имя. Рейнер в 1948 г. объяснил некоторые реологические эффекты второго порядка в вязких и упругих средах, используя тензорную символику из теории упругости (Мурнаган, 1937). В 1949 г. в работах Скотт-Блэра и Грина были изложены интегральные методы и психофизические представления в реологии и освещено понятие тиксотропии (термин Фрейндлиха).

Фундаментальные труды отечественных ученых по реологии дисперсных систем и физико-химической механики П. А. Ребиндера, Г. В. Виноградова, М. П. Воларовича, Б. В. Дерягина А. А. Трапезникова, Н. Б. Урьева, Я. И. Френкеля, Э. П. Шульмана и др., а также труды по теории и практике течения биотехнологических вязко-пластичных сред многих русских и зарубежных учёных способствовали решению вопросов, связанных с пластичностью, вязкостью и упругостью этих сред и послужили базой для совершенствования технологических процессов и обрабатывающего оборудования пищевых производств.

Большая роль в распространении методов реологии в России принадлежит М.П. Воларовичу, который одним из первых стал применять их для различных исследований. Ротационные вискозиметры системы М.П. Воларовича - наиболее распространенные приборы. Теоретическое обоснование, выполненное автором, делает их пригодными для измерения свойств самых разнообразных дисперсных систем.

Труды П.А. Ребиндера в области новой «пограничной» науки - физико- химической механики значительно опередили исследования зарубежных ученых. Физико-химическая механика генетически связана с реологией, физической и коллоидной химией, механохимией и гидродинамикой, занимая при этом более высокую ступень. Основная ее цель состоит в установлении существа образования и разрушения структур в дисперсных системах в зависимости от совокупности физико-химических и механических факторов. Это обеспечивает обоснование путей получения структур с заданными свойствами и позволяет разработать способы оптимизации процессов получения и обработки пищевых продуктов. В таких процессах механические свойства являются основными среди других физических свойств (термических, электрических и пр.).

Основная роль в использовании реологических методов в мясной и молочной промышленности принадлежит А.В. Горбатову. Им разработаны пути и методы совершенствования процессов и аппаратов, а также технологических приемов обработки продукции животного происхождения за счет использования методов инженерной реологии. А. В. Горбатовым создана научная школа по реализации и дальнейшей разработке методов реологии с целью оптимизации производства на базе создания новой техники и технологии.

Важное место в дальнейшем развитии и применении методов инженерной реологии в пищевой промышленности принадлежит Ю.А. Мачихину и С.А. Мачихину, которые в своих научных трудах значительно расширили представления о процессах, происходящих при обработке продукции хлебопекарной, кондитерской и других отраслей пищевых производств.

Основы отечественной школы реологии заложили такие выдающиеся ученые, как Д. И. Менделеев, Н. П. Петров, С. П. Тимошенко, Л. И. Седов, П. А. Ребиндер, Н. П. Воларович, А. А. Трапезников, Г. В. Виноградов. С. Н. Карпин, Г. Л. Слонимский, Д. М. Толстой, А. X. Мирзаджанзаде, Н. В. Михайлов, Н. В.

Тябин, А. М. Гуткин, Т. Я. Горазовский, Н. Б. Урьев, Я. И. Френкель, Т. И. Гуревич, Ю. Н. Работнов, А. Р. Ржаницын. С. В. Ильюшин, А. Ю. Ишлинский, Г. И. Баренблатт, А. И. Леонов, А. X. Ким, Л. Г. Лойцянский, П. П. Мосолов, В. П. Мясников, П. М. Огибалов, С. М. Тарг, 3. П. Шульман и многие другие.

Применительно к пищевой промышленности и технологии развитие реологии в русской научной литературе началось в 60-е годы, если не претендовать на полноту списка авторов, то благодаря работам П. А. Ребиндера, М. П. Воларовича, К. П. Гуськова, В. П. Калугина, М. Н. Караваева, Н. И. Назарова, О. Г. Лунина, Л. Н. Лунина, Ю. В. Клаповского, В. П. Корячкина, Ю. А. Мачихина, С. А. Мачихина, А. В. Горбатова, И. А. Рогова, В. Д. Косого, Л. К. Николаева, В. А. Арета, Б. А. Николаева, В. А. Панфилова, Ю. С. Рыбаковой, В. Н. Серба, П. М. Силина, В. П. Табачникова, Г. В. Твердохлеб, А. 3. Уманцева, Н. Б. Урьева, М. А. Талейсника, Н. Е. Федорова, С. Е. Харина, Г. К. Бермана, И. Э. Груздьева, Г. А. Ересько, С. С. Гуляева-Зайцева, С. В. Чувахина, А. М. Маслова, Б. М Азарова, Г. Е. Лимонова, О. П. Боровикой, М. М. Благовещенской, В. Вайткуса, Б. Я. Шайхаева и многих других исследователей.

Среди авторов по пищевой проблематике в иностранной литературе можно назвать исторически значительные работы Ф. Н. Шведова, Е. С. Бингама, М. Рейнера, А, Б. Метцнера, У. Л. Уилкинсона, Й. С. Рида, Й. Коха, Н. Грина, Г. В. Скотт-Блэра, Р. К. Шофильда, М. С. Боурне, С. Е. Шарма, А. Финке, X. Г. Муллера, А. Г. Варда, А. Крамера, В. Твигга, С. X. Лиина, И. Прайс-Джон, Р. Вейссенберга, В. Зингга. Ш. С. Сулева, С. Д. Моргана, В. П. Валавендера, Те Ю Чена, А. М. Скалзо, Р. В. Дикерсона, И. Т. Пиилера, Р. Б. Рида и т. д.

Расцвет реологии, особенно ее приложений, начался в 50-е годы в связи с бурным развитием перерабатывающих технологий и внедрением искусственно структурированных материалов в различные отрасли народного хозяйства.

В последние десятилетия практически во всех работах, посвященных механическим процессам и машинам пищевой промышленности, затрагиваются вопросы инженерной реологии пищи или пищевых материалов. Особенности механики переработки пищевых продуктов и полуфабрикатов в основном и заключаются в реологических особенностях механического поведения этих материалов и в огромном, нарастающем разнообразии машин и аппаратов в этой отрасли промышленности.