Книга «Свойства полимеров и нелинейная акустика» представляет собой том II, часть Б серии «Физическая акустика».
Первые три главы посвящены вопросам молекулярной акустики и тематически примыкают к части А того же тома. В гл. 1 рассматриваются релаксационные явления в растворах полимеров, низкомолекулярных жидкостях и гелях. В первых параграфах главы дается обзор феноменологических релаксационных теорий поведения вязкоупругих материалов. Затем в последующих параграфах описываются различные приборы и методы изучения вязкоупругих свойств растворов и гелей. Приводятся также обсуждения экспериментальных результатов. К сожалению, автор допустил ряд неточностей, некоторые утверждения недостаточно хорошо аргументированы. Поэтому редактор перевода дал довольно большое число примечаний; явные описки исправлены без специальных оговорок.
Гл. 2 и 3 посвящены описанию релаксационных процессов в твердых полимерах и стеклах. В гл. 2 значительное место уделено рассмотрению релаксационных свойств неорганических стекол. Поскольку до сих пор акустические методы применялись для исследования этих свойств сравнительно мало, авторы используют главным образом данные по дисперсии диэлектрических потерь. Хотя эти исследования и не> относятся непосредственно к молекулярной акустике, тем не менее обзор их в данной книге весьма полезен. Как было показано во многих работах, в стеклах процессы механической и диэлектрической релаксации очень сходны.
Кроме того, в гл. 2 кратко рассматриваются реологические свойства таких интересных материалов, как силиконы, фосфоро-нитрвдные хлорные полимеры, серные и селеновые полимеры.
В гл. 3 достаточно подробно рассматриваются явления, наблюдаемые при объемной деформации аморфных полимеров, и связь их с процессами, возникающими при сдвиге. Большое внимание уделено рассмотрению возможных движений молекул и молекулярных групп, обусловленных тем или иным релаксационным процессом.
Последующие главы книги посвящены вопросам нелинейной акустики. Как известно, первые работы по нелинейной акустике были выполнены еще в XIX веке. Однако экспериментальные исследования нелинейных эффектов ограничивались только газами. Открытие способов генерации мощных ультразвуковых волн позволило обнаружить нелинейные эффекты также в жидкостях и твердых телах. Исследование этих эффектов начало особенно интенсивно проводиться за последние 10—15 лет.
В гл. 4 дан краткий обзор основных проблем нелинейной акустики; этот обзор представляет интерес для лиц, впервые знакомящихся с нелинейной акустикой.
В гл. 5 рассматриваются постоянные течения газа и жидкости, возникающие при распространении в них интенсивных звуковых волн. Этот интересный и своеобразный вид конвекции может, по-видимому, оказывать существенное влияние на некоторые процессы, такие, как теплоперенос, перемещения пленок, гетерогенные реакции и т. д. Ранее предполагалось, что, используя акустические течения, можно непосредственно измерять объемную вязкость газов и жидкостей, однако эти предположения не оправдались. В гл. 5 дан достаточно подробный обзор теорий акустического течения, обсуждаются их экспериментальная проверка и различные практические применения этого явления.
Наконец, гл. 6 посвящена использованию дифракции света для измерения параметра нелинейности жидкостей, введенного в гл. 4. В гл. 6 рассматриваются главным образом различные теории дифракции света и использование их для объяснения явлений, наблюдаемых при больших интенсивностях ультразвука, а также методы определения параметра нелинейности. Во второй половине этой главы рассказывается о применении ультразвука для определения констант фотоупругости прозрачных твердых тел.
В целом книга представляет большой интерес для широкого круга специалистов и в первую очередь физиков, физико-химиков и химиков, занимающихся изучением строения и свойств твердых тел и полимеров. Вторая половина книги, безусловно, будет интересна специалистам, использующим на практике эффекты, возникающие в мощных звуковых полях. Книга будет полезна также студентам старших курсов физических и физико-технических факультетов и аспирантам.
Перевод книги выполнили: В. А. Соловьев (гл. 1 и 2), Л. И. Савина (гл. 3), К. А. Наугольных (гл. 4 и 5) и В. А. Шути-лов (гл. 6). Редактор выражает благодарность В. А. Соловьеву за помощь при редактировании книги.
И. Г. Михайлов
Методы обнаружения и возбуждения звуковых волн, описанные в первом томе этой серии, во втором томе применяются для изучения свойств газов, жидкостей, растворов и полимерных материалов и взаимодействий между атомами и молекулами этих веществ. В первых трех главах рассматриваются свойства газов, начиная с таких больших разрежений, при которых молекулы можно считать подобными редко сталкивающимся шарикам для пинг-понга, и вплоть до конденсированных фаз. Продольное движение в акустических волнах часто превращается во вращательное и колебательное движение молекул. Это происходит благодаря столкновениям молекул и требует определенного времени, которое называется временем релаксации. Когда произведение угловой частоты звуковой волны на время релаксации близко к единице, происходит существенное возрастание затухания и наблюдается дисперсия скорости. Благодаря этому акустические измерения являются одним из главных методов изучения таких процессов, называемых релаксационными. Эти релаксационные явления удовлетворяют определенным термодинамическим принципам, и, используя термодинамику необратимых процессов, можно связать результаты измерений с молекулярными свойствами.
Релаксация происходит также и в жидкостях, где она может быть либо термической — такого же типа, как в газах, либо обусловленной перестройкой молекулярной структуры. Релаксация этого последнего типа обычно связана с более длинными цепочечными молекулами. При очень высоких частотах жидкости проявляют многие из свойств твердого тела, т. е. они обладают модулем сдвиговой упругости, и их сдвиговая и продольная жесткости имеют тот же порядок величины, что и у полимерных материалов. В сущности жидкости, проявляющие структурную релаксацию, образуют переход от жидкостей, имеющих газоподобные свойства, к стеклам и полимерным материалам (рассматриваемым в томе II, часть Б), которые аналогичны твердым телам.
Другой интересный случай, когда акустические измерения могут дать важную информацию о структуре вещества, представляют растворы электролитов. При введении ионов электролита возникает тенденция к разрушению преобладающей структуры ближнего порядка в растворителе и к установлению новой структуры, в которой дипольные молекулы растворителя ориентированы вокруг ионов электролита. Измерения затухания и скорости звука в этих растворах также дают существенную
информацию о расположении атомов в растворе и их движении. Затухание такого типа играет важную роль при распространении звука в морской воде.
В томе II, часть Б, рассматриваются вещества, в которых упаковка плотнее, чем в жидкостях, но атомы которых еще сохраняют возможность совершать движения. Это полимерные материалы и стекла. Они образуют связующее звено между жидкостями, рассматриваемыми в томе II, часть А, и твердыми телами, свойства которых рассматриваются в томах III и IV. В этих материалах происходят релаксационные процессы, и одним из самых полезных методов их исследования являются измерения затухания и скорости звука. Три главы в томе II, часть Б, посвящены различным методам исследования таких релаксационных процессов и той информации о движении молекул, которую можно получить из подобных измерений.
Когда энергия вводимой в среду звуковой волны возрастает, процесс распространения звука сопровождается нелинейными явлениями. Возникновение кавитации в жидкостях, рассмотренное в томе I, часть Б, представляет собой одно из таких нелинейных явлений. Кроме того, происходит возбуждение гармоник и наблюдается возрастание скорости распространения волны. При очень больших амплитудах эти эффекты переходят в новое явление — акустическую ударную волну. Волны большой амплитуды вызывают также общее движение жидкости, известное под названием акустических потоков. Эти потоки могут приводить к интересным биологическим и химическим явлениям.
Важным методом измерения нелинейных эффектов в жидкостях и твердых телах является метод, основанный на дифракции света. Звуковая волна создает в жидкости уплотненные и разреженные области, действующие как фазовая дифракционная решетка для света, распространяющегося параллельно фронту волны. При малых амплитудах звука образуются спектры, интенсивности которых по обе стороны от главного пучка лучей одинаковы для одинаковых углов отклонения (эти углы определяются отношением длины звуковой волны к длине волны света). Когда движение в звуковой волне становится нелинейным, один из боковых спектров начинает преобладать над другим и анализ относительных интенсивностей дает меру нелинейности. Для твердых тел спектры возникают благодаря пьезооптическому эффекту, а не вследствие изменения плотности. Эти вопросы рассматриваются в последней главе тома II, часть Б.
Редактор хотел бы еще раз поблагодарить многочисленных авторов, сделавших возможным издание этого тома, и издателей за их неизменную помощь и советы. Декабрь 1964 г. Уоррен П. Мэзон
Предисловие редактора перевода ................ 5
Предисловие У. Мэзона .................... 7
Глава 1. Релаксация в растворах полимеров, полимерных жидкостях
и гелях (В. Филиппов)................ 9
§ 1. Введение ....................... 9
1. Вязкоупругие материалы (9). 2. Природа вязкоупру-гих свойств (10).
§ 2. Общая теория поведения вязкоупругих материалов под
действием напряжений, зависящих от времени...... 12
1. Наблюдаемые величины (12). 2. Принцип суперпозиции Больцмана (26). 3. Модели Максвелла и Фохта (30). 4. Распределение времен релаксации (34).
§ 3. Теория для молекул, свернутых в клубки........ 39
§ 4. Анализ экспериментальных данных ..."........ 47
1. Метод приведенных переменных (47). 2. Уравнение Вильямса — Ландела — Ферри (53). 3. Приведение по гидростатическому давлению (55). 4. Приведение по концентрациям (56).
§ 5. Экспериментальные методы .............. 58
1. Геометрия деформации (58). 2. Приборы (62).
§ 6. Экспериментальные результаты ............ 70
1. Линейность уравнений, связывающих напряжения и деформации (70). 2. Использование приведенных переменных (74). 3. Экспериментальная проверка теории (83). 4. Полимерные жидкости низкого молекулярного веса, битумы и расплавы полимеров (93). 5. Растворы и гели полимеров (100). 6. Сравнение результатов квазистатиче-ческих и динамических измерений (104).
Литература........................, 106-
Глава 2. Спектры релаксации и релаксационные процессы в твердых
полимерах и стеклах (И. Хопкинс и К. Керкджиан) ... НО
§ 1. Введение........................ 110
1. Общие соображения (110). 2. Линейная теория вязко-упругости (111). 3. Температурная зависимость (полимеры) (117). 4. Методы вспомогательных измерений (120).
§ 2. Полимеры....................... 121
1. Полиметилметакрилат (122). 2. Полиэтилен (125). 3. Молекулярные теории зависимости физических свойств от температуры (130).
§ 3. Неорганические стекла................. 131
1. Структура стекла (131). 2. Деформация сетки (134).
3. Миграции иона, вызванные напряжениями (135).
4. Область перехода (147). 5. Зависимость модуля от температуры (181).
§ 4. Неорганические полимеры ............... 183
1. Силиконы (184). 2. Фосфонитрилхлоридные полимеры (NPCl2)n (185). 3. Серные, селеновые и родственные им системы (185).
Литература......................... 187
Глава 3. Объемная релаксация в аморфных полимерах (Р. Мареин
и Дж. Мак-Кинни) .................. 193
§ 1. Введение........................ 193
§ 2. Феноменологические соотношения ........... 197
1. Конститутивные соотношения вязкоупругости (197).
2. Адиабатически-изотермические псевдопереходы (202).
§ 3. Молекулярные теории ................. 204
§ 4. Экспериментальные методы и результаты....... 213
1. Методы стационарного состояния (215). 2. Методы измерения при переходных процессах (242). 3. Нереологические методы (252).
§ 5. Заключение..................... 261
Литература......................... 263
Глава 4. Нелинейная акустика (Р. Бейер]............ 266
§ 1. Введение........................ 266
§ 2. Распространение плоских волн конечной амплитуды в недис-
сипативных и диссипативных средах.......... 267
1. Координаты Эйлера и Лагранжа (267). 2. Изоэнтропий-ное уравнение состояния (270). 3. Искажение волны (271). 4. Точное решение (недиссипативный случай) (274). 5. Искажение в вязкой среде (275). 6. Другие методы анализа (278).
§ 3. Экспериментальная проверка теории.......... 286
§ 4. Взаимодействие пучков конечной амплитуды...... 297
§ 5. Заключение....................... 300
Литература........................... 300
Глава 5. Акустические течения (В. Ниборг)........... 302
§ 1. Введение........................ 303
§ 2. Основные уравнения.................. 305
1. Вывод уравнения потока (305). 2. Поле вектора F (310).
3. Другие формы уравнения потока (316). 4. Средний перенос
массы (318).
§ 3. Решения для скорости потока.............'Л 321
1. Плоская волна, бегущая между параллельными стенками (321). 2. Стоячие волны в каналах (331). 3. Поток вблизи колеблющегося цилиндра (336). 4. Кварцевый ветер (341). 5. Течение вблизи границы (344).
§ 4. Экспериментальные результаты............. 357
1, Измерения течений, вызванных ультразвуковыми пучками (357). 2. Наблюдения над течениями в различных полях (361). 3. Воздействие течений на структуры и скорости процессов (369).
Литература......................... 376
Глава о. Использование дифракции света для измерений параметра нелинейности жидкостей и фотоупругих констант твердых
тел (Л. Харгров и К. Ачыотан)............ 378
§ 1. Нелинейность жидкостей................ 378
1. Введение (378). 2. Искажение формы ультразвуковой волны вследствие нелинейности (378). 3. Дифракция света на искаженных ультразвуковых волнах (383). 4. Экспериментальные методы определения параметра нелинейности В/А (389).
§ 2. Фотоупругие константы твердых тел........... 398
1. Введение в общую теорию фотоупругости (398). 2. Дифракция света на ультразвуковых волнах в фотоупругих твердых телах (402). 3. Экспериментальное определение динамических и статических фотоупругих констант (408). 4. Оптическое определение амплитуды ультразвукового давления в прозрачных твердых телах (414).
Литература......................... 415
Цена: 150руб.
