Reologia

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Relació entre esforç i deformació en un sòlid. Per a unes condicions donades de pressió i temperatura, el material respon a l'aplicació d'un esforç primer amb una deformació elàstica (reversible, la feina de la qual s'acumula en forma d'energia potencial) que és directament proporcional a l'esforç; després amb una deformació plàstica (irreversible, que es dissipa en forma de calor), que creix més de pressa que l'esforç; i finalment, amb una deformació rígida (trencament), que a diferència de les anteriors, trenca la continuïtat original del material.

La reologia és l'estudi de la deformació i el flux de la matèria.[1][2] Aquest terme va ser introduït per Eugen Bingham l'any 1929. La reologia s'ocupa principalment de l'estat líquid però també d'estats tous de la matèria o de sòlids sota condicions en les quals responen com un flux plàstic en lloc de deformar-se elàsticament en resposta a la força aplicada.[3] S'aplica a substàncies que tenen una estructura molecular complexa, com fangs, llots, suspensions químiques, polímers i altres formes vítrees de transició (p. e. silicats), com també molts aliments i additius alimentaris, fluids sanguinis (com la sang) i altres materials biològics.

Etimologia[modifica]

El terme reologia va ser encunyat per Eugene C. Bingham, professor del Lafayette College, el 1920, a partir d'un suggeriment d'un col·lega, Markus Reiner.[4][5] El terme es va inspirar en l'aforisme d'Heràclit (sovint atribuït erròniament a Simplicius), panta rhei (πάντα ῥεῖ, 'tot flueix'[6][7]) i es va utilitzar per primera vegada per descriure el flux de líquids i la deformació dels sòlids. S'aplica a substàncies que tenen una microestructura complexa, com ara fangs, suspensions, polímers i altres formadors de vidre (per exemple, silicats), així com molts aliments i additius, fluid corporals (per exemple, sang) i altres materials biològics, i a altres materials que pertanyen al classe de matèria tova com els aliments.

Definició[modifica]

La reologia és la part de la física que estudia la relació entre l'esforç i la deformació en els materials que són capaços de fluir. La reologia és una part de la mecànica dels medis continus. Un dels objectius de la reologia és trobar equacions constitutives per modelar el comportament dels materials.

Les propietats mecàniques estudiades en la reologia es poden mesurar mitjançant reòmetres, que són uns aparells que permeten sotmetre el material a diferents tipus de deformacions controlades i mesurar els esforços o viceversa. Algunes de les propietats reològiques més importants són:

  • Viscositat aparent (relació entre esforç de tall i velocitat de tall)
  • Coeficients d'esforços normals
  • Viscositat complexa davant esforços de tall oscil·latori
  • Mòdul d'emmagatzemament i mòdul de pèrdues (comportament viscoelàstic lineal)
  • Funcions complexes de viscoelasticitat no lineal

Els estudis teòrics en reologia de vegades fan servir models microscòpics per a explicar el comportament d'un material. Per exemple, en l'estudi de polímers aquests es poden representar com cadenes d'esferes connectades mitjançant enllaços rígids o elàstics.

Si ens fixem en el sentit etimològic del mot reologia podríem definir-lo com la ciència del flux. La reologia descriu la deformació d'un cos sota la influència d'esforços, però la reologia no està limitada als polímers, es pot aplicar a tota mena de materials, sòlids, líquids o gasosos.

Un sòlid ideal es deforma elàsticament i l'energia requerida per a la deformació es recupera totalment quan es retira l'esforç aplicat. Mentre que els fluids ideals es deformen irreversiblement, flueixen, i l'energia requerida per a la deformació es dissipa en l'interior del fluid en forma de calor i no es pot recuperar en retirar l'esforç. Però solament uns pocs líquids es comporten com líquids ideals, la immensa majoria dels líquids mostren un comportament reològic que es classifica en una regió a mig camí entre els líquids i els sòlids: són al mateix temps elàstics i viscosos, per això es denominen viscoelàstics. Per altra banda, els sòlids reals es poden deformar irreversiblement sota la influència de forces de suficient magnitud, en definitiva, poden fluir.

En aquesta classificació dels comportaments reològics dels materials en relació amb la seva resposta als esforços aplicats s'ha d'introduir un nou paràmetre, que és l'escala de temps en la qual s'aplica la deformació. A tal efecte, es defineix una nova magnitud que consideri el temps d'observació; es tracta del nombre de Deborah: De=λ/t, en què λ és el temps de relaxació i t és el temps d'observació.

En aquest sentit, podem dir que els sòlids tenen un temps de relaxació infinit, mentre que en el cas dels líquids aquest valor s'aproxima a zero. Per altra banda, si considerem processos de deformació característics associats als típics temps d'observació, podem dir que un nombre de Deborah gran defineix un comportament de tipus sòlid i un nombre de Deborah petit defineix un comportament de tipus líquid.

L'exemple següent pot ajudar a entendre-ho: les vidrieres de la catedral de Chartres a França han fluït d'ençà que foren produïdes fa 600 anys. En l'època medieval aquestes vidrieres tenien un gruix uniforme, però avui en dia les molècules de vidre han fluït per efecte de la gravetat, de manera que l'espessor en la part inferior és més que el doble del gruix de la part superior. El temps d'observació tan gran fa que el nombre de Deborah sigui petit, per la qual cosa sòlids com el vidre es poden classificar com líquids.

Com a conclusió es pot dir que substàncies com l'aigua o el vidre no es poden classificar com líquids o sòlids, sinó que com a màxim podem dir que tenen un comportament de líquid o sòlid sota unes determinades condicions d'esforç, deformació o temps.

Referències[modifica]

  1. «Reologia». Gran Enciclopèdia Catalana. [Consulta: 10 novembre 2022].
  2. «Reologia». Diccionari General de la Llengua Catalana. Institut d'Estudis Catalans. [Consulta: 10 novembre 2022].
  3. W. R. Schowalter (1978) Mechanics of Non-Newtonian Fluids Pergamon ISBN 0-08-021778-8
  4. James Freeman Steffe. Rheological Methods in Food Process Engineering. Freeman Press, 1 January 1996. ISBN 978-0-9632036-1-8. 
  5. The Deborah Number Arxivat 2011-04-13 a Wayback Machine.
  6. Barnes, Jonathan. The presocratic philosophers, 1982. ISBN 978-0-415-05079-1. 
  7. Beris, A. N.; Giacomin, A. J. «πάντα ῥεῖ: Everything Flows». Applied Rheology, vol. 24, 2014, pàg. 52918. DOI: 10.3933/ApplRheol-24-52918.

Vegeu també[modifica]

Bibliografia[modifica]

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Reologia
Revistes de reologia
Organitzacions