Глава IV. ПОВЕДЕНИЕ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКИХ И МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВИБРАЦИИ
1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА
При действии вибрации на невполне упругие и многофазные среды наблюдаются специфические явления. В однородных средах в основном эти явления связаны с рассеянием энергии лнбо на микро-, либо на макроуровнях (соответственно статистические или феноменологические модели).
В природе практически нет идеально упругих материалов. Поведение всех материалов в большей или меньшей степени зависит от времени, от скорости иагружения. Простейшую проверку для установления наличия этих реономных свойств проводят нагружая и разгружая материал — на сколько материал не восстанавливает свою форму и объем, на столько ярко выражены реономные свойства. В экспериментах они наблюдаются тем ярче, чем температура ближе к температуре фазового перехода (размягчения). Поэтому при обычных температурах данные явления наблюдаются во многих полимерных материалах, а в металлах — только при повышенных температурах.
Зависимости, описывающие физические соотношения для материалов, отсутствуют и в практических задачах используют выражения, полученные на основе экспериментальных результатов. Стремление описать результаты эксперимента более простыми выражениями часто приводят к тому, что эти явления не полностью раскрываются. Например, приведем определение коэффициента трения скольжения (см. 
гл. IX, параграф 7). При наличии постоянной составляющей силы прижатия 
и вибрационной силы попытка описать результаты эксперимента обычной зависимостью сухого трения приводит к тому, что при силе 
передвигающей тело, коэффициент трения
зависит от частоты 
и интенсивности вибрационной силы. Внимательное изучение процесса показывает, что в данном случае коэффициент трения следует определять более сложными зависимостями, в которых коэффициент трения по-прежнему постоянная величина. Так, при перпендикулярной вибрации основания по закону 
для тела массой 
имеем
где 
коэффициент трения; кажущийся коэффициент трения
является функцией 
Практически такую же ситуацию имеем, наблюдая эксперименты, в которых вибрация действует на сплошные среды. Только здесь отсутствуют теории, позволяющие дойти до зависимостей, в которых характерные коэффициенты были постоянными и независимыми от частоты и амплитуды колебаний. Такова природа возникновения первой особенности — отдельные параметры в физических зависимостях, характеризующих сам материал, зависят от параметров вибрации (см. параграф 2). Например, коэффициент внутреннего трения в материале является по крайней мере функцией частоты [18, 19].
Следствием действия вибрации является усталость материала. В местах концентрации напряжений у хрупких материалов часть рассеянной в материале энергии уходит на развитие микротрещин в местах, имеющих нарушение структуры. Эти трещины развиваются и являются новыми концентраторами напряжений. В результате этого наблюдаем разрушение деталей при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности, часто даже ниже предела упругости, но число циклов, при которых детали разрушаются, имеет значительный порядок (типа миллионов и десятка миллионов) [21]. Разрушение упругопластических материалов при малом числе циклов происходит при значительных упругопластических деформациях, что характеризуется изменением ширины петли гистерезиса в материале и накоплением пластических деформаций (испытания с постоянной амплитудой напряжений). Этим двум характеристикам соответствуют два типа разрушений — от усталости, связанное с накоплением повреждений и сопровождающееся образованием трещин усталости, и квазистатическое, обусловленное накоплением пластических деформаций до уровня деформаций, соответствующих разрушениям при однократном статическом нагруженни.
При действии вибрации наблюдается виброползучесть. Если на постоянную нагрузку, вызывающую ползучесть, наложить вибрационную силу, то процесс ползучести протекает значительно быстрее (см. параграф 5).
Часть рассеянной в материале энергии переходит в тепло. Вследствие этого при вибрации значительной интенсивности наблюдается саморазогрев. Если резиновые виброизоляторы вибромашин не рассчитать на саморазогрев, то возможны случаи, когда температура достигнет температуру размягчения (см. параграф 2 [15], а также гл. XI).
Для изучения физических и механических процессов, происходящих при выполнении ряда технологических операций в различных областях техники (химическая технология, материаловедение, обогащение руд), достаточно общими моделями могут служить многофазные среды (взвеси мелкодисперсных фаз, например твердых частиц и пузырьков в жидкостях). Осуществление многих технологических процессов связано с созданием определенных форм относительного движения фаз многофазных сред. Например, для получения суспензий, эмульсий, а также интенсификации некоторых химических реакций, происходящих между мелкодисперсными и несущими фазами среды, необходимо организовать перемешивание фаз; в других случаях (выделение и локализация вредных примесей при плавке и кристаллизации металлов, тонкая очистка топлива и т. п.) требуется разделить фазы. Для некоторых более тонких технологических процессов (зонная очистка переплавляемых металлов, получение изделий с регулируемой плотностью, адгезионное и многослойное литье, производство композиционных материалов) необходимо реализовать более сложные формы движения, при которых некоторые элементы многофазной среды совершают колебательные движения, другие — монотонные, односторонне направленные движения, а третьи удерживаются в определенных локальных областях пространства, занятых многофазной средой.
Исследование динамического поведения многофазных сред при колебаниях показывает, что такие формы движения могут быть эффективно реализованы с помощью вибрационных воздействий.
Выявление и изучение механизмов возникновения различных форм движения многофазных сред при периодических воздействиях представляет собой предмет нового направления в динамике многофазных сред (теории нелинейных колебаний и устойчивости движения многофазных сред). Основы его были установлены лишь в последнее время и наиболее полно изложены в работах [4, 5].
Колебательные воздействия порождают не только колебательные, но и односторонне направленные движения [4-7]. Кроме того, они обусловливают возникновение в объеме, занятом многофазной средой, равновесных положений элементов мелкодисперсных фаз и их устойчивость.
Эти явления определяются действием так называемых вибрационных сил, представляющих собой независящие от времени (либо медленно меняющиеся) силовые поля, распределение которых в пространстве, занятом средой, определяется характеристиками вибрации, а также нелинейностями различного рода.
В реальных условиях многофазная среда всегда находится под действием некоторых внешних сил невибрационной природы, например гравитационных (в земных условиях). Режим движения среды при вибрационных воздействиях определяется соотношением между величинами этих и вибрационных сил. Величины последних определяются амплитудами и частотами внешних периодических воздействий. Для создания мощных вибрационных силовых полей могут быть использованы резонансные эффекты, которые позволяют даже при незначительных внешних воздействиях создать вибрационные силы, сравнимые по величине или иногда значительно превосходящие внешние силы другой природы.
Подбирая вибрационные воздействия определенным образом, можно как усиливать, так и ослаблять действия невибрационных сил с помощью вибрационных. Таким образом, технологические процессы, происходящие под действием внешних сил невибрационной природы (например, гравитационное обогащение руд, дегазация расплавленных металлов и т. п.), могут быть значительно интенсифицированы. Кроме того, специфические свойства вибрационных сил (неоднородность распределения в объеме среды, возможность управления путем изменения вибрационных воздействий, избирательное действие на движение отдельных элементов многофазных сред)
открывают широкие возможности для создания совершенно новых технологических процессов [5, 8—10].
Если внешние силы, действующие на многофазную среду, малы (например, в космических условиях, когда существенны микрогравитация, силы поверхностного натяжения, вязкость), то даже слабые вибрационные силы могут оказать существенное влияние на динамику многофазной среды. Используя их в качестве управляющего и стабилизирующего фактора, можно осуществить динамические процессы, которые без вибрационных воздействий реально неосуществимы. Таким образом, исследование динамического поведения многофазных сред в условиях ослабленной гравитации под действием управляющих вибрационных воздействий представляет собой важную проблему для задач космической технологии. Исследования, посвященные ей, изложены в работах [5, 8, 9, 11—13].
