Reologi

Reologi ( ; ) ialah kajian tentang aliran jirim, terutamanya dalam keadaan bendalir (cecair atau gas) tetapi juga sebagai "pepejal lembut" atau pepejal dalam keadaan di mana ia bertindak balas dengan aliran plastik dan bukannya berubah bentuk secara elastik sebagai tindak balas kepada daya yang dikenakan. Reologi ialah cabang fizik berkenaan ubah bentuk dan aliran bahan, kedua-dua pepejal dan cecair.W. R. Schowalter (1978) Mechanics of Non-Newtonian Fluids Pergamon 

Istilah "reologi" dicipta oleh Eugene C. Bingham, seorang profesor di Kolej Lafayette pada tahun 1920 daripada cadangan rakan sekerja, Markus Reiner.The Deborah Number  Istilah ini diilhamkan oleh kata-kata mutiara Heraklitus (sering tersilap dikaitkan dengan Simplisius),  (, "semuanya mengalir"), dan pertama kali digunakan untuk menerangkan aliran cecair dan ubah bentuk pepejal. Ia terpakai kepada bahan yang mempunyai struktur mikro yang kompleks seperti lumpur, enap cemar, ampaian, dan polimer serta pembentuk kaca lain (cth., silikat), serta banyak makanan dan bahan tambahan, cecair badan (cth., darah) dan bahan biologi lain, dan bahan lain yang tergolong dalam kelas jirim lembut seperti makanan.

Cecair Newton boleh dicirikan dengan satu pekali kelikatan dalam suhu tertentu. Walaupun kelikatan ini akan berubah mengikut suhu, ia tidak berubah dengan kadar terikan. Hanya sekumpulan kecil cecair mempamerkan kelikatan malar sedemikian. Kelas besar cecair yang kelikatannya berubah dengan kadar terikan (halaju aliran relatif) dipanggil cecair bukan Newton.

Reologi secara amnya mengambil kira kelakuan bendalir bukan Newton dengan mencirikan bilangan minimum fungsi yang diperlukan untuk mengaitkan tegasan dengan kadar perubahan terikan atau kadarnya. Sebagai contoh, sos tomato boleh mengurangkan kelikatannya dengan menggoncang (atau bentuk pengadukan mekanikal lain, di mana pergerakan relatif lapisan berbeza dalam bahan sebenarnya menyebabkan pengurangan kelikatan), tetapi pula air tidak boleh. Sos tomato ialah bahan penipisan ricih, seperti yogurt dan cat emulsi (cat akrilik), mempamerkan tiksotropi, di mana peningkatan dalam halaju aliran relatif akan menyebabkan pengurangan kelikatan, contohnya, dengan mengacau. Sesetengah bahan bukan Newton yang lain menunjukkan tingkah laku yang bertentangan, reopekti (kelikatan meningkat dengan deformasi relatif), dan dipanggil bahan penebalan ricih atau dilatan. Oleh kerana Sir Isaac Newton mengasaskan konsep kelikatan, kajian cecair dengan kelikatan bergantung kadar terikan juga sering dipanggil sebagai "mekanik bendalir bukan Newton".

Pencirian eksperimen bagi tingkah laku rheologi bahan dikenali sebagai reometri, walaupun istilah reologi sering digunakan sebagai sinonim dengan rheometri, terutamanya oleh ahli eksperimen. Aspek teori reologi ialah perkaitan kelakuan aliran/ubah bentuk bahan dan struktur dalamannya (cth., orientasi dan pemanjangan molekul polimer) dan kelakuan aliran/ubah bentuk bahan yang tidak boleh digambarkan oleh mekanik bendalir klasik atau keanjalan.

 Ruang bidang 
Dalam amalan, reologi pada asasnya mengambil berat dengan memanjangkan mekanik kontinum untuk mencirikan aliran bahan yang mempamerkan gabungan kelakuan anjal, likat dan plastik dengan menggabungkan keanjalan dan mekanik bendalir (Newton) dengan betul. Ia juga berkenaan dengan meramalkan kelakuan mekanikal (pada skala mekanikal kontinum) berdasarkan struktur mikro atau nano bahan, contohnya saiz molekul dan seni bina polimer dalam larutan atau taburan saiz zarah dalam ampaian pepejal. Bahan dengan ciri bendalir akan mengalir apabila dikenakan tekanan, yang ditakrifkan sebagai daya setiap kawasan. Terdapat pelbagai jenis tegasan (cth. ricih, kilasan, dsb.), dan bahan boleh bertindak balas secara berbeza di bawah tegasan yang berbeza. Kebanyakan reologi teori berkait dengan perkaitan daya dan tork luaran dengan tegasan dalaman, kecerunan terikan dalaman, dan halaju aliran.R. B. Bird, W. E. Stewart, E. N. Lightfoot (1960), Transport Phenomena, John Wiley & Sons, .R. Byrin Bird, Charles F. Curtiss, Robert C. Armstrong (1989), Dynamics of Polymeric Liquids, Vol 1 & 2, Wiley Interscience,  and 978-0471518440.Faith A. Morrison (2001), Understanding Rheology, Oxford University Press,  and 978-0195141665.

Reologi menyatukan bidang keplastikan dan dinamik bendalir bukan Newton yang kelihatan tidak berkaitan, dengan mengiktiraf bahawa bahan yang mengalami ubah bentuk jenis ini tidak dapat menyokong tegasan (terutama tegasan ricih kerana lebih mudah untuk menganalisis ubah bentuk ricih) dalam keseimbangan statik. Dalam pengertian ini, pepejal yang mengalami deformasi plastik adalah cecair, walaupun tiada pekali kelikatan dikaitkan dengan aliran ini. Reologi berbutir merujuk kepada penerangan mekanikal kontinum bahan berbutir.

Salah satu tugas-tugas utama reologi adalah untuk mewujudkan hubungan antara terikan (atau kadarnya) dengan tegasan melalui pengukuran, walaupun beberapa perkembangan teori (seperti memastikan invarian bingkai) juga diperlukan sebelum menggunakan data empirikal. Teknik eksperimen ini dikenali sebagai reometri dan mengambil berat tentang penentuan fungsi bahan reologi yang jelas. Hubungan sedemikian kemudiannya boleh diterima oleh rawatan matematik dengan kaedah mekanik kontinum yang telah ditetapkan.

Pencirian aliran atau ubah bentuk yang berasal daripada medan tegasan ricih yang mudah dipanggil reometri ricih (atau rheologi ricih). Kajian aliran lanjutan dipanggil reologi lanjutan. Aliran ricih adalah lebih mudah untuk dikaji, dan oleh itu, lebih banyak data eksperimen tersedia untuk aliran ricih daripada aliran lanjutan.

 Nombor tanpa dimensi 

 Nombor Deborah 
Pada satu hujung spektrum ialah cecair Newtonian ringkas, dan pepejal tegar di hujung yang lain; oleh itu, tingkah laku semua bahan jatuh di suatu tempat di antara kedua-dua hujung ini. Perbezaan dalam tingkah laku bahan dicirikan oleh tahap dan sifat keanjalan yang terdapat dalam bahan apabila ia berubah bentuk yang membawa tingkah laku bahan kepada rejim bukan Newton. Nombor Deborah tanpa dimensi direka bentuk untuk mengambil kira tahap kelakuan bukan Newton dalam aliran. Nombor Deborah ditakrifkan sebagai nisbah masa kelonggaran ciri (yang bergantung sepenuhnya pada bahan dan keadaan lain seperti suhu) kepada masa ciri eksperimen atau pemerhatian.The Deborah Number  Nombor Deborah yang kecil mewakili aliran Newton, manakala tingkah laku bukan Newton (dengan kedua-dua kesan likat dan anjal) berlaku bagi nombor Deborah julat pertengahan, dan nombor Deborah yang tinggi menunjukkan perihal pepejal anjal/tegar. Oleh kerana nombor Deborah ialah kuantiti relatif, pengangka atau penyebut boleh mengubah nombor tersebut. Nombor Deborah yang sangat kecil boleh diperolehi bagi cecair dengan masa rehat yang sangat kecil atau masa percubaan yang sangat besar, sebagai contoh.

 Nombor Reynolds 
Dalam mekanik bendalir, nombor Reynolds ialah ukuran nisbah daya inersia () kepada daya likat (), dan akibatnya, ia mengukur kepentingan relatif kedua-dua jenis kesan ini untuk keadaan aliran tertentu. Nombor Reynolds rendah menunjukkan kesan likat mendominasi dan aliran bersifat laminar, manakala nombor Reynolds tinggi menunjukkan inersia mendominasi dan aliran mungkin bergelora. Walau bagaimanapun, oleh kerana reologi memerhati cecair yang tidak mempunyai kelikatan tetap tetapi yang berubah mengikut aliran dan masa, pengiraan nombor Reynolds boleh menjadi rumit.

Ia adalah salah satu nombor tanpa dimensi yang paling penting dalam dinamik bendalir dan digunakan biasanya bersama nombor tanpa dimensi lain untuk menyediakan kriteria untuk menentukan persamaan dinamik. Apabila dua aliran geometri yang serupa bercorak dalam cecair yang mungkin berbeza dengan kadar aliran yang mungkin berbeza mempunyai nilai yang sama untuk nombor tanpa dimensi yang berkaitan, ia dikatakan serupa secara dinamik.

Biasanya, ia diberikan seperti berikut:

di mana:

 us – halaju aliran min, [m s−1]
 L – panjang ciri, [m]
 μ – kelikatan bendalir dinamik (mutlak), [N s m−2 ] atau [Pa s]
 ν – kelikatan bendalir kinematik:, [m2 s−1]
 ρ – ketumpatan bendalir, [kg m−3].

 Pengukuran 
Reometer ialah alat yang digunakan untuk mencirikan sifat reologi bahan, biasanya cecair yang cair atau larutan. Instrumen ini mengenakan medan tegasan atau ubah bentuk tertentu kepada bendalir, dan memantau ubah bentuk atau tegasan yang terhasil. Instrumen boleh dijalankan dalam aliran mantap atau aliran berayun, dalam kedua-dua ricih dan lanjutan.

 Aplikasi 
Rheologi mempunyai aplikasi dalam sains bahan, kejuruteraan, geofizik, fisiologi, biologi manusia dan farmaseutik. Sains bahan digunakan dalam penghasilan banyak bahan penting dalam industri seperti simen, cat dan coklat yang mempunyai ciri aliran yang kompleks. Di samping itu, teori keplastikan juga penting untuk reka bentuk proses pembentukan logam. Sains reologi dan pencirian sifat viskoelastik dalam pengeluaran dan penggunaan bahan polimer telah menjadi kritikal dalam pengeluaran banyak produk untuk digunakan dalam kedua-dua sektor perindustrian dan ketenteraan. Kajian sifat aliran cecair adalah penting bagi ahli farmasi yang bekerja dalam pembuatan beberapa bentuk dos, seperti cecair ringkas, salap, krim, pes dan lain-lain. Tingkah laku aliran cecair di bawah tekanan yang dikenakan adalah sangat relevan dalam bidang farmasi. Sifat aliran digunakan sebagai alat kawalan kualiti yang penting untuk mengekalkan keunggulan produk dan mengurangkan variasi kelompok ke kelompok.

 Sains bahan 

 Polimer 
Contoh boleh diberikan untuk menggambarkan potensi aplikasi prinsip ini kepada masalah praktikal dalam pemprosesan dan penggunaan getah, plastik dan gentian. Polimer membentuk bahan asas industri getah dan plastik dan amat penting kepada industri tekstil, petroleum, kereta, kertas dan farmaseutikal. Sifat viskoelastik mereka menentukan prestasi mekanikal produk akhir industri ini, dan juga kejayaan kaedah pemprosesan pada peringkat pertengahan pengeluaran.

Dalam bahan viskoelastik seperti kebanyakan polimer dan plastik, kehadiran kelakuan seperti cecair bergantung pada sifat dan sebagainya berbeza dengan kadar beban yang dikenakan, iaitu, seberapa cepat daya dikenakan. Mainan silikone Silly Putty berkelakuan agak berbeza bergantung pada kadar masa pengenaan daya. Penarikan secara perlahan-lahan menunjukkan aliran berterusan, sama seperti yang dibuktikan dalam cecair yang sangat likat. Sebaliknya, apabila dipukul kuat dan terus, ia akan berkecai seperti kaca silikat.

Di samping itu, getah konvensional mengalami peralihan kaca (sering dipanggil peralihan kaca-getah). Misalnua, bencana kapal angkasa Challenger disebabkan oleh gelang-O getah yang digunakan jauh di bawah suhu peralihan kaca mereka dalam pagi yang luar biasa sejuk, dan dengan itu tidak dapat melentur secukupnya untuk membentuk pengedap yang betul di antara bahagian dua penggalak roket bahan api pepejal.
kiri|thumb|300x300px|Struktur linear selulosa — komponen paling biasa bagi semua kehidupan tumbuhan organik di Bumi. *Perhatikan bukti ikatan hidrogen yang meningkatkan kelikatan dalam sebarang suhu dan tekanan. Ini adalah kesan yang serupa dengan pautan silang polimer, tetapi kurang ketara.

 Larutan-gel 
Dengan kelikatan sol (larutan) dilaraskan ke dalam julat yang betul, kedua-dua gentian kaca berkualiti optik dan gentian seramik refraktori boleh direka, dan digunakan dalam penderia gentian optik dan penebat haba masing-masing. Mekanisme hidrolisis dan pemeluwapan serta faktor reologi yang memihak struktur ke arah struktur linear atau bercabang ialah isu paling kritikal dalam sains dan teknologi larutan-gel.

 Geofizik 
Disiplin saintifik geofizik merangkumi kajian aliran lava cair dan kajian aliran serpihan (runtuhan tanah cecair). Cawangan disiplin ini juga berkaitan dengan bahan Bumi pepejal yang hanya mempamerkan aliran dalam skala masa yang dilanjutkan. Apa-apa yang menunjukkan tingkah laku likat dikenali sebagai reid. Contohnya, granit boleh mengalir secara plastis dengan tegasan hasil yang boleh diabaikan pada suhu bilik (iaitu aliran likat). Eksperimen rayapan jangka panjang (~10 tahun) menunjukkan bahawa kelikatan granit dan kaca di bawah keadaan kawalan berada pada darjat 1020 poise.

 Fisiologi 
Fisiologi merangkumi kajian tentang banyak cecair badan yang mempunyai struktur dan komposisi yang kompleks, dan dengan itu mempamerkan pelbagai ciri aliran viskoelastik. Khususnya terdapat kajian pakar aliran darah yang dipanggil hemoreology. Ini ialah kajian sifat aliran darah dan unsur-unsurnya (plasma dan unsur-unsur yang terbentuk, termasuk sel darah merah, sel darah putih dan platelet). Kelikatan darah ditentukan oleh kelikatan plasma, hematokrit (pecahan isi padu sel darah merah yang membentuk 99.9% unsur sel) dan tingkah laku mekanikal sel darah merah. Oleh itu, mekanik sel darah merah menjadi penentu utama sifat aliran darah. (Humor Vitreous mata tertakluk kepada pemerhatian reologi, terutamanya semasa kajian tentang pencairan vitreous berkaitan usia, atau sinaeresis.)

Ciri utama untuk hemorheologi ialah penipisan ricih dalam aliran ricih yang mantap. Ciri reologi bukan Newton lain yang boleh ditunjukkan oleh darah termasuk sifat pseudoplastik, viskoelastik, dan tiksotropi.

 Penggumpalan sel darah merah 
Ada dua hipotesis utama semasa untuk menerangkan ramalan aliran darah dan tindak balas penipisan ricih. Kedua-dua model itu juga cuba menunjukkan pemacu penggumpalan sel darah merah boleh diterbalikkan, walaupun mekanisme itu masih dibahaskan. Ada kesan langsung pengagregatan sel darah merah terhadap kelikatan dan peredaran darah. Asas hemoreologi juga boleh memberikan maklumat terhadap pemodelan biobendalir lain. Hipotesis penyambungan atau "penjembatan silang" mencadangkan bahawa makromolekul secara fizikal menghubungkan silang sel darah merah bersebelahan ke dalam struktur rouleaux. Ini berlaku melalui penjerapan makromolekul ke permukaan sel darah merah. Hipotesis lapisan penyusutan mencadangkan mekanisme yang bertentangan. Permukaan sel darah merah diikat bersama oleh kecerunan tekanan osmotik yang dicipta oleh lapisan penipisan yang bertindih. Kesan kecenderungan pengagregatan rouleaux boleh dijelaskan oleh hematokrit dan kepekatan fibrinogen dalam reologi darah keseluruhan. Beberapa teknik yang digunakan penyelidik ialah perangkap optik dan mikrobendalir untuk mengukur interaksi sel secara in vitro.

 Penyakit dan diagnosis 
Perubahan kepada kelikatan telah terbukti dikaitkan dengan penyakit seperti hiperviskositi, hipertensi, anemia sel sabit dan diabetes. Pengukuran hemorheologi dan teknologi ujian genom bertindak sebagai langkah pencegahan dan alat diagnosis.

Hemoreologi juga telah dikaitkan dengan kesan penuaan, terutamanya dengan kecairan darah terjejas, dan kajian telah menunjukkan bahawa aktiviti fizikal boleh meningkatkan penebalan reologi darah.

 Zoologi 
Banyak haiwan menggunakan fenomena reologi seperti ikan pasir yang mengeksploitasi reologi berbutir pasir kering untuk "berenang" di dalamnya atau gastropod darat yang menggunakan lendir siput dalam pergerakan berlekat. Haiwan tertentu menghasilkan cecair kompleks endogen khusus, seperti lendir melekit yang dihasilkan oleh cacing baldu untuk melumpuhkan mangsa atau lendir bawah air yang bergelombang cepat yang dirembeskan oleh ikan hag untuk menghalang pemangsa.

 Reologi makanan 
Reologi makanan adalah penting dalam pembuatan dan pemprosesan produk makanan, seperti kejuS. Gunasekaran, M. Mehmet (2003), Cheese rheology and texture, CRC Press,  dan gelato. Reologi yang mencukupi adalah penting untuk memanjakan banyak makanan biasa, terutamanya dalam kes sos, pembalut, yogurt, atau fondue.

Agen pemekat ialah bahan yang meningkatkan kelikatan tanpa mengubah suai sifatnya yang lain seperti rasa apabila ditambah ke dalam campuran berair. Ia menyediakan badan, meningkatkan kestabilan, dan menambah baik pengampaian bahan tambahan. Agen pemekat sering digunakan sebagai bahan tambahan makanan dan dalam kosmetik dan produk kebersihan diri. Sesetengah agen pemekat merupakan agen pembentuk gel. Ejen ini ialah bahan yang digunakan untuk menebal dan menstabilkan larutan cecair, emulsi dan ampaian. Ia larut dalam fasa cecair sebagai campuran koloid yang membentuk struktur dalaman yang lemah padu. Pemekat makanan selalunya berasaskan sama ada polisakarida (kanji, gam sayur dan pektin) atau protein. 

 Reologi konkrit 
Kebolehkerjaan konkrit dan mortar berkait dengan sifat reologi pes simen segar. Sifat mekanik konkrit yang mengeras meningkat jika lebih sedikit air digunakan dalam reka bentuk bancuhan konkrit, tetapi pengurangan nisbah air-ke-simen boleh mengurangkan kebolehan pembancuhan dan penggunaan. Untuk mengelakkan kesan ini, superpemplastik biasanya ditambah untuk mengurangkan tegasan hasil yang jelas dan kelikatan pes segar. Penambahan ini banyak meningkatkan sifat konkrit dan mortar.

 Reologi polimer terisi 
Penggabungan pelbagai jenis pengisi ke dalam polimer ialah cara biasa untuk mengurangkan kos sambil memberikan sifat mekanik, haba, elektrik dan magnet tertentu yang diingini kepada bahan yang terhasil. Kelebihan yang ditawarkan oleh sistem polimer terisi datang dengan peningkatan kerumitan dalam tingkah laku reologi.

Biasanya, apabila penggunaan pengisi dipertimbangkan, kompromi perlu dibuat antara sifat mekanik yang dipertingkatkan dalam keadaan pepejal dengan peningkatan kesukaran dalam pemprosesan cair, masalah mencapai penyebaran seragam pengisi ke dalam matriks polimer dan ekonomi proses disebabkan oleh langkah tambahan pengkompaunan. Sifat reologi polimer terisi ditentukan bukan sahaja oleh jenis dan jumlah pengisi, tetapi juga oleh bentuk, saiz dan taburan saiz zarahnya. Kelikatan sistem yang diisi biasanya meningkat dengan peningkatan pecahan pengisi. Ini boleh diperbaiki sebahagiannya melalui pengagihan saiz zarah yang luas melalui kesan Farris. Faktor tambahan ialah pemindahan tegasan pada antara muka pengisi-polimer. Lekatan antara muka boleh dipertingkatkan dengan ketara melalui agen gandingan yang melekat dengan baik pada kedua-dua polimer dan zarah pengisi. Oleh itu, jenis dan jumlah rawatan permukaan pada pengisi merupakan parameter tambahan yang mempengaruhi sifat reologi dan bahan sistem polimer terisi.

 Ahli reologi 
Ahli rheologi ialah saintis atau jurutera antaradisiplin yang mengkaji aliran cecair kompleks atau ubah bentuk pepejal lembut. Ia bukan subjek ijazah rendah; tiada kelayakan pakar rheologi seperti itu. Kebanyakan ahli rheologi mempunyai kelayakan dalam matematik, sains fizikal (cth., kimia, fizik, geologi, biologi), kejuruteraan (cth., mekanik, kimia, sains bahan, kejuruteraan plastik dan kejuruteraan atau kejuruteraan awam), perubatan atau teknologi tertentu, terutamanya bahan atau makanan. Lazimnya, sejumlah kecil reologi boleh dikaji dalam bidang siswazah, tetapi seseorang yang bekerja dalam bidang reologi akan melanjutkan pengetahuan ini semasa penyelidikan pascasiswazah atau melalui kursus pendek serta menyertai persatuan profesional.

 Rujukan 

 Pautan luar 

 "The Origins of Rheology: A short historical excursion"    oleh Deepak Doraiswamy, DuPont iTechnologies
 RHEOTEST Medingen GmbH – Sejarah pendek dan koleksi instrumen reologi dari zaman Fritz Höppler
   - Mengenai Reologi Kucing

Kategori:Reologi
Kategori:Tribologi