Внутреннее трение в твёрдых телах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Внутреннее трение в твёрдых телах - свойство твёрдых тел необратимо превращать в теплоту механич. энергию, сообщённую телу в процессах его деформирования, сопровождающихся нарушением в нём термодинамич. равновесия.

Внутреннее трение в твёрдых телах относится к числу неупругих, или релаксационных, свойств (см. Релаксация ),к-рые не описываются теорией упругости. Последняя основывается на скрытом допущении о квазистатич. характере (бесконечно малой скорости) упругого деформирования, когда в деформируемом теле не нарушается термодинамич. равновесие. При этом напряжение

в к--л. момент времени определяется значением деформации

в тот же момент. Для линейного напряжённого состояния

. Тело, подчиняющееся этому закону, наз. идеально упругим, M₀ - статич. модуль упругости идеально упругого тела, соответствующий рассматриваемому типу деформации (растяжение, кручение). При периодич. деформировании идеально упругого тела

находятся в одной фазе.

При деформировании с конечной скоростью в теле возникает отклонение от термодинамич. равновесия, вызывающее соответствующий релаксац. процесс (возвращение к равновесному состоянию), сопровождаемый диссипацией (рассеянием) упругой энергии, т. е. необратимым ее переходом в теплоту. Напр., при изгибе равномерно нагретой пластинки, материал к-рой расширяется при нагревании, растягиваемые волокна охлаждаются, сжимаемые - нагреваются, вследствие чего возникнет поперечный градиент температуры, т.е. упругое деформирование вызовет нарушение теплового равновесия. Выравнивание температуры путём теплопроводности представляет релаксац. процесс, сопровождаемый необратимым переходом части упругой энергии в тепловую, чем объясняется наблюдаемое на опыте затухание свободных изгибных колебаний пластинки. При упругом деформировании сплава с равномерным распределением атомов компонент может произойти перераспределение последних, связанное с различием их размеров. Восстановление равновесного распределения путём диффузии также представляет собой релаксац. процесс. Проявлениями неупругих, или релаксац., свойств, кроме упомянутых, являются упругое последействие в чистых металлах и сплавах, гистерезис упругий и др.

Деформация, возникающая в упругом теле, определяется не только приложенными к нему внешними механич. силами, но и изменениями температуры тела, его хим. состава, внешними магн. и электрич. полями (магнито- и электрострикция), размерами зёрен и т. д.

Рис. 1. Типичный релаксационный спектр твёрдого тела при комнатной температуре, связанный с процессами: I - анизотропного распределения растворённых атомов под действием внешних напряжений; II - в граничных слоях зёрен поликристаллов; III - на границах раздела двойников; IV - растворения атомов в сплавах; V - поперечных тепловых потоков; VI - межкристаллитных тепловых потоков.

Это приводит к многообразию релаксац. явлений, каждое из к-рых вносит свой вклад во внутреннее трение в твёрдых телах. Если в теле одновременно происходит несколько релаксац. процессов, каждый из к-рых можно характеризовать своим временем релаксации

, то совокупность всех времён релаксации отд. релаксац. процессов образует т. н. релаксац. спектр данного материала (рис. 1), к-рый характеризует данный материал при данных условиях; каждое структурное изменение в образце отражается характерным изменением релаксац. спектра.

Существует неск. феноменологич. теорий неупругих, или релаксац, свойств, к к-рым относятся: а) теория упругого последействия Больцмана - Вольтерры, отыскивающая такую связь между напряжением и деформацией, к-рая отображает предшествующую историю деформируемого тела:

, где вид "функции памяти"

остаётся неизвестной; б) метод реология, моделей, к-рый приводит к соотношениям типа:

Это линейное дифференц ур-ние деформации характеризует зависимость от времени и является основой для описания линейного вязкоупругого поведения твёрдого тела.

Рис. 2. Механическая модель Фохта, состоящая из параллельно соединенных пружины 1 и поршня в цилиндре 2, заполненном вязкой жидкостью.

Рис. 3. Модель Максвелла с последовательным соединением пружины 1 к поршня в цилиндре 2.

Явления, описываемые ур-ниями тина (1), моделируются механич. и электрич. схемами, представляющими последовательное и параллельное соединение упругих (пружины) и вязких (поршень в цилиндре с вязкой жидкостью) элементов или ёмкостей и активных сопротивлений. Наиб. простые модели: параллельное соединение элементов, приводящее к зависимости

(т. н. твёрдое тело Фохта - рис. 2), и последоват. соединение элементов

(т. н. твёрдое тело Максвелла - рис. 3). Путём последоват. и параллельного соединения неск. моделей Фохта и Максвелла с разными значениями жёсткости пружины и коэф. вязкого сопротивления удаётся достаточно точно описать соотношения между напряжениями и деформациями в вязкоупругом теле; в) теория, основанная на термодинамике неравновесных состояний, к-рая для случая одного релаксац. процесса приводит к обобщению закона Гука:

где

, а

- материальная постоянная, имеющая размерность вязкости,

- время релаксации. Для периодич. деформирования с циклич. частотой

получается:

, где

где

- т. н. дефект модуля, или полная степень релаксации; г) дислокационная теория внутреннего трения в твёрдых телах, согласно к-рой источником внутреннего трения в твёрдых телах является движение дислокаций, объясняет, напр., уменьшение внутреннего трения в твёрдых телах при введении примесей тем, что последние препятствуют движению дислокаций. Такое сопротивление движению дислокаций часто (по аналогии с вязкостью жидкостей) наз. вязким. внутреннее трение в сильно деформированных материалах объясняется взаимным торможением дислокаций и т д. В качестве методов измерения внутреннего трения в твёрдых телах применяются: а) изучение затухания свободных колебаний (продольных, поперечных, крутильных, изгибных); б) изучение резонансной кривой для вынужденных колебаний; в) изучение затухания УЗ-импульса с длиной волны

. Мерами внутреннего трения в твёрдых телах служат: а) декремент колебаний

, где

- сдвиг фазы между напряжением

и деформацией

при упругих колебаниях, величина Q аналогична добротности электрич. колебательного контура; в) относительное рассеяние упругой энергии

за один период колебаний; г) ширина резонансной кривой

, где

- отклонение от резонансной частоты

, при к-рой квадрат амплитуды вынужденных колебаний уменьшается в 2 раза. Разл. меры внутреннего трения в твёрдых телах при малых значениях затухания (

) связаны между собой:

Для исключения пластич. деформации амплитуда колебаний при измерениях должна быть настолько мала, чтобы Q^-1 от неё не зависело.

Спектр релаксации можно получить, изменяя не частоту циклич. колебаний, а температуру. При отсутствии релаксационных процессов в исследуемом интервале температур внутреннее трение в твёрдых телах монотонно растёт, а если такой процесс имеет место, то на кривой температурной зависимости появляется максимум (пик) внутреннего трения в твёрдых телах при температуре

, где H-энергия активации релаксац. процесса,

- материальная постоянная,

- циклич. частота колебаний.

Методом свободных крутильных колебаний малой амплитуды и низкой частоты можно изучать растворимость и параметры диффузии атомов, образующих твёрдые растворы внедрения, фазовые превращения, кинетику и энергетич. характеристики распада пересыщенных твёрдых растворов и др. Колебания от 5 кГц до 300 кГц пригодны для изучения движения границ ферромагнитных доменов, колебания около 30 МГц применены к исследованию в металле рассеяния колебаний кристаллич. решётки (фононов) электронами проводимости. Изучение внутреннего трения в твёрдых телах - источник сведений о состояниях и процессах, возникающих в твёрдых телах, в частности в чистых металлах и сплавах, подвергнутых разд. механич. и тепловым обработкам.

Литература по внутреннему трению в твёрдых телах

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.