
Введение в пластик Бингама
В материаловедении существует множество интересных и полезных концепций, и одной из них является пластик Бингама. Этот материал представляет собой вязкопластическую субстанцию, которая демонстрирует уникальные свойства: при низких напряжениях он ведет себя как твердое тело, а при высоких напряжениях начинает течь, как вязкая жидкость. Названный в честь ученого Юджина К. Бингама, этот материал стал важным инструментом в различных отраслях, включая буровую технику и обработку шламов.
Применение пластика Бингама
Пластик Бингама находит широкое применение в буровой технике, где его свойства позволяют эффективно моделировать поток бурового раствора. Простой пример, который многие из нас могут увидеть в повседневной жизни, — это зубная паста. Она не выдавливается из тюбика, пока не будет приложено определенное давление. Как только это давление превышает определенный порог, паста выталкивается, образуя целостную пробку.
Поведение пластика Бингама
Чтобы лучше понять, как работает пластик Бингама, рассмотрим его поведение на графиках. На первом графике, который мы можем представить, показано поведение обычной вязкой жидкости, например, воды, в трубе. Когда давление на одном конце трубы увеличивается, это создает напряжение в жидкости, что приводит к увеличению объема потока. В случае с пластиком Бингама, однако, напряжение может быть приложено, но материал не начнет течь, пока не будет достигнуто определенное значение, известное как предел текучести. После достижения этого порога, объемный расход начинает увеличиваться пропорционально увеличению напряжения сдвига.
Структура и свойства
Эти уникальные свойства позволяют пластику Бингама иметь текстурированную поверхность с пиками и выступами, в отличие от гладкой поверхности, характерной для ньютоновских жидкостей. На втором графике, который мы можем представить, показано напряжение сдвига по вертикальной оси и скорость сдвига по горизонтальной. Для ньютоновской жидкости скорость сдвига будет увеличиваться с увеличением напряжения сдвига. В то время как для пластика Бингама скорость сдвига остается нулевой до тех пор, пока не будет превышен предел текучести. Это означает, что для описания поведения пластика Бингама необходимо учитывать два параметра: предел текучести и пластическую вязкость.
Физическая основа поведения
Физическая причина такого поведения заключается в том, что в жидкости содержатся частицы, такие как глина или крупные молекулы, например, полимеры, которые взаимодействуют друг с другом, создавая слабую твердую структуру. Для того чтобы разрушить эту структуру и позволить жидкости течь, требуется определенное напряжение. Как только структура разрушена, частицы начинают двигаться вместе с жидкостью под действием вязких сил. Если напряжение снимается, частицы снова ассоциируются, и материал возвращается в свое первоначальное состояние.
Математическое описание
Пластик Бингама можно описать с помощью математических уравнений. При напряжении сдвига, меньшем критического значения, материал ведет себя как упругое тело. Как только напряжение превышает критическое значение, материал начинает течь, и скорость сдвига становится пропорциональной разнице между приложенным напряжением и пределом текучести. Это можно выразить следующим образом:
— Если напряжение сдвига меньше предела текучести, скорость сдвига равна нулю