Вязкость сдвига

Вязкость сдвига является фундаментальной характеристикой мягкой материи, определяющей сопротивление материала течению при наложении касательных напряжений. В отличие от упругих тел, в которых деформация носит обратимый характер, жидкости и мягкие материалы обладают способностью к необратимой перестройке своей структуры под действием внешней силы. Величина вязкости сдвига количественно описывает эту способность и тесно связана с микроуровневыми процессами: межмолекулярным взаимодействием, перегруппировкой структурных единиц, изменением топологии сетей в полимерных и коллоидных системах.

Определение и математическая формулировка

Для простого сдвигового течения выполняется соотношение Ньютона:

τ = η γ̇,

где

τ — касательное напряжение,
η — коэффициент вязкости сдвига,
γ̇ — скорость сдвиговой деформации.

Классические ньютоновские жидкости, такие как вода или глицерин, демонстрируют линейную зависимость между τ и γ̇. Однако в мягкой материи чрезвычайно часто наблюдаются отклонения от этого закона, что приводит к выделению неньютоновских режимов течения.

Микроскопическая природа вязкости

Вязкость сдвига обусловлена диссипацией энергии при относительном перемещении слоёв вещества. В молекулярных жидкостях это связано с временными корреляциями скорости движения молекул и характерным временем релаксации межмолекулярных связей. В полимерах и коллоидных суспензиях вязкость определяется более сложными процессами:

зацепления цепей в полимерных системах,
формирование и разрушение кластеров в коллоидных растворах,
гидродинамические взаимодействия частиц в концентрированных дисперсиях,
структурные перестройки в жидких кристаллах и гелях.

Таким образом, коэффициент вязкости сдвига выступает интегральной характеристикой множества микроскопических процессов.

Режимы течения

Ньютоновский режим. Вязкость постоянна и не зависит от γ̇. Примеры — простые жидкости с малым размером молекул.
Сдвиговое разжижение (shear thinning). При увеличении скорости сдвига вязкость уменьшается. Это характерно для полимерных расплавов и коллоидов, где высокие градиенты скорости разрушают временные структуры и агрегаты.
Сдвиговое утолщение (shear thickening). Вязкость возрастает с увеличением γ̇. Типичный пример — суспензии твёрдых частиц высокой концентрации, где при сильных сдвиговых нагрузках частицы формируют контактные сети, резко повышающие сопротивление течению.
Пластичность и предельное напряжение. В некоторых материалах, например в суспензиях с коагуляционными структурами или в гелях, существует критическое напряжение τ_y, ниже которого материал ведёт себя как упругое тело, а выше — течёт как вязкая жидкость.

Температурные и концентрационные эффекты

Вязкость сдвига чувствительна к температуре и концентрации. Для молекулярных жидкостей зависимость от температуры описывается уравнением Аррениуса:

$$ \eta(T) = \eta_0 \exp\left(\frac{E_a}{RT}\right), $$

где E_a — энергия активации течения. Для полимеров и стеклообразных жидкостей более точным является эмпирическое уравнение Вильямса–Ланделя–Ферри (WLF), учитывающее температурное смещение времени релаксации.

Концентрация дисперсной фазы в коллоидных суспензиях напрямую влияет на вязкость. При приближении к предельной упаковке частиц (φ → φ_max) наблюдается экспоненциальный рост вязкости, а иногда и переход к стеклообразному состоянию.

Методы измерения вязкости сдвига

Для экспериментального определения применяются различные реологические методы:

Капиллярные вискозиметры, позволяющие оценивать вязкость при ламинарном течении через узкие каналы.
Ротационные реометры, где измеряется крутящий момент на цилиндрической или конической геометрии при наложенном сдвиге.
Осцилляторные методики, позволяющие фиксировать зависимость между напряжением и деформацией при переменном внешнем воздействии.

Современные приборы позволяют получать полные кривые течения и выделять области ньютоновского, сдвигового разжижения и утолщения.

Применения и значение

Вязкость сдвига является критическим параметром для описания и прогнозирования поведения широкого спектра систем:

в полимерной индустрии она определяет процесс переработки расплавов и растворов;
в фармацевтике влияет на стабильность суспензий и биологических жидкостей;
в биотехнологиях контролирует транспорт клеток и белковых комплексов;
в геофизике описывает поведение лавы, грязевых потоков и ледниковых масс.

Знание механизма формирования вязкости сдвига позволяет управлять свойствами мягкой материи на макроуровне посредством контроля структуры и межчастичных взаимодействий.