A reologia estuda como a matéria escoa e se deforma quando recebe forças. É um ramo da física voltado principalmente aos fluidos, como líquidos e gases, mas também aos sólidos moles que, em certas condições, escoam plasticamente em vez de responder apenas com deformação elástica.
Nem todo material reage da mesma maneira quando é agitado, comprimido, esticado ou submetido a cisalhamento. Em um fluido newtoniano, a tensão de cisalhamento cresce de forma linear com a taxa de cisalhamento e a constante que liga as duas grandezas é a viscosidade dinâmica. Nos fluidos não newtonianos, essa relação pode mudar com a intensidade ou a duração da deformação. O ketchup, o iogurte e certas tintas acrílicas, por exemplo, podem ficar menos viscosos quando o cisalhamento aumenta.
O campo abrange lamas, lodos, suspensões, polímeros, materiais formadores de vidro, alimentos, fluidos corporais e outros materiais de matéria mole. A reometria mede como esses materiais respondem a esforços controlados, enquanto a parte teórica liga o escoamento e a deformação à estrutura interna do material, como a orientação de moléculas poliméricas ou a distribuição de partículas em uma suspensão.
Essas ideias entram no processamento de materiais, na engenharia, na geofísica, na fisiologia e na produção de alimentos e medicamentos. Elas permitem comparar respostas que vão de um líquido que escoa continuamente a um material que recupera parte da forma depois que a carga é retirada.
História
Antes de receber um nome próprio, a reologia cresceu a partir de estudos separados sobre sólidos elásticos e fluidos viscosos. A lei de Hooke, publicada no século XVII, ligou tensão e deformação em um sólido linearmente elásticoNesse modelo ideal, a deformação cresce na mesma proporção que a tensão enquanto o material permanece na faixa elástica. Quando a força é retirada, ele recupera a forma prevista pelo modelo., enquanto a formulação de Newton para a viscosidade ligou a tensão de cisalhamento à taxa de cisalhamento de um fluido newtoniano.A taxa de cisalhamento mede quão depressa camadas vizinhas de um material deslizam umas em relação às outras. Imagine um baralho sendo empurrado de lado, com as cartas de cima avançando mais que as de baixo. No século XIX, Claude-Louis Navier, George Gabriel Stokes e Jean Léonard Marie Poiseuille trabalharam com o movimento de fluidos viscosos. James Clerk Maxwell, William Thomson, Lord Kelvin, e Ludwig Boltzmann estudaram respostas dependentes do tempo que entrariam na teoria da viscoelasticidade.
A palavra vem do grego antigo ῥέω (rhéō), "fluir", e -λογία (-logía), "estudo". Eugene Bingham, professor do Lafayette College, empregou o termo em 17 de dezembro de 1928. Bingham e Markus Reiner participaram da organização inicial da disciplina e da sociedade que reuniu seus pesquisadores.
O lema panta rhei (πάντα ῥεῖ), "tudo flui"A frase expressa a ideia de mudança constante. Na reologia, ela ganhou um sentido especialmente apropriado porque materiais que parecem rígidos podem escoar quando as condições e o tempo de observação mudam., tradicionalmente atribuído a Heráclito e transmitido por autores posteriores, foi adotado pela Society of Rheology. A sociedade foi formalmente fundada em 19 de dezembro de 1929. Com o novo campo reunido sob um mesmo nome, modelos de viscoelasticidade, equações constitutivas, estudos de fluidos não newtonianos e métodos de medição passaram a tratar materiais cuja resposta muda com a escala de tempoA escala de tempo é o intervalo usado para observar um processo. Um material pode parecer rígido em segundos e apresentar escoamento perceptível quando observado por muito mais tempo., a taxa de deformação e a estrutura microscópica.Estrutura microscópica é a organização interna de partículas, gotas, fibras ou moléculas pequenas demais para serem vistas a olho nu. Mudar essa organização pode mudar a forma como o material escoa ou se deforma.
Abrangência
Na prática, a reologia estende a mecânica dos meios contínuos a materiais que misturam respostas elásticas, viscosas e plásticas. Ela também procura ligar o comportamento medido em escala macroscópica"Macroscópica" significa a escala do material como um todo, na qual medimos grandezas como força, deformação ou viscosidade sem acompanhar cada molécula separadamente. à microestrutura ou nanoestruturaMicroestrutura é a organização interna em escalas muito pequenas. Nanoestrutura vai ainda além, para dimensões da ordem de bilionésimos de metro., como o tamanho e a arquitetura molecularAqui, "arquitetura molecular" é a maneira como as partes de uma molécula estão organizadas, por exemplo em cadeias lineares, ramificadas ou ligadas entre si. de polímeros em solução ou a distribuição de tamanhos das partículas de uma suspensão.
Quando um material é submetido a uma tensão, isto é, força por unidade de área, ele pode reagir de maneiras diferentes conforme o tipo de carregamento.Carregamento é a maneira de aplicar força ao material. Puxar, comprimir e fazer uma parte deslizar sobre outra são carregamentos diferentes. Cisalhamento, extensão e compressão não precisam produzir a mesma resposta. Parte da teoria reológica liga forças e torques externosTorque é a tendência de uma força fazer algo girar, como acontece ao usar uma chave para apertar um parafuso. às tensões internas,Tensões internas são forças distribuídas dentro do material. Elas podem variar de um ponto para outro mesmo quando a força aplicada por fora parece simples. deformações, taxas de deformação e velocidades de escoamento.
Uma divisão útil separa a reologia fenomenológicaNessa abordagem, o foco está primeiro na relação entre o esforço aplicado e a resposta medida, sem exigir uma descrição detalhada de cada estrutura interna do material., que usa relações constitutivas para expressar a resposta macroscópica, da reologia estruturalAqui, a pergunta muda: procura-se entender quais partículas, moléculas ou estruturas internas produzem a resposta observada., que procura relacionar essa resposta à microestrutura. A reometria reúne os métodos de medição e a reologia aplicada usa essas relações em materiais e processos.
Um sólido plástico pode sustentar tensões sem escoamento permanenteEscoamento permanente deixa uma mudança de forma que não desaparece simplesmente quando o esforço é retirado. até que um limite seja ultrapassado, enquanto um fluido não newtoniano pode ter uma relação não linear ou dependente do tempo entre tensão e taxa de deformação. A reologia granular leva a análise a materiais granulares, cujo comportamento e escoamento também dependem das condições de carregamento.
O ketchup, o iogurte e certas tintas de emulsão, como a tinta acrílica, apresentam afinamento por cisalhamento, pois sua viscosidade aparenteChama-se "aparente" porque, em muitos materiais não newtonianos, a viscosidade não é um único número fixo. O valor medido depende das condições do ensaio. diminui quando a taxa de cisalhamento aumenta. Alguns desses materiais também apresentam tixotropia, na qual a resposta muda com o tempo sob cisalhamento e a estrutura se recupera depois que o esforço diminui ou cessa. Outros materiais ficam mais viscosos à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. A reopexia é diferente desse espessamento dependente apenas da taxa, pois envolve aumento da estrutura e da viscosidade com o tempo sob certas condições de cisalhamento. O estudo desses comportamentos também recebe o nome de mecânica dos fluidos não newtonianos.
miniatura|direita|300px|Relações idealizadas entre tensão e taxa de cisalhamento para fluidos newtonianos, pseudoplásticos, dilatantes e materiais com tensão de escoamento.
Uma tarefa central da reologia experimental é descobrir como tensão, deformação e taxa de deformação se relacionam em cada material. Essas relações precisam manter propriedades matemáticas adequadas quando o referencial muda.Mudar o referencial é descrever o mesmo movimento a partir de outro ponto de vista, por exemplo de um observador parado ou de outro que se move. A lei física não deve mudar só por causa dessa escolha. Os ensaios que fornecem essas funções pertencem à reometria.
Quando o material é deformado principalmente por cisalhamento, fala-se em reometria de cisalhamento ou reologia de cisalhamento. Quando o movimento é dominado por alongamento, fala-se em reologia extensional. Escoamentos de cisalhamento costumam ser mais fáceis de produzir e medir, por isso há mais dados desse tipo do que de escoamentos extensionais.
A reologia interfacial examina o que acontece na superfície de contato entre fasesUma fase é uma região do material com composição e propriedades uniformes. Em uma mistura de óleo e água, cada líquido forma uma fase e a fronteira entre eles é a interface., como gás e líquido ou dois líquidos imiscíveis.Líquidos imiscíveis não se misturam de modo uniforme. Óleo e água são o exemplo mais familiar. Os ensaios podem aplicar cisalhamento à interface ou fazê-la expandir e comprimir, separando tanto quanto possível a resposta da interface daquela das fases ao redor.
Em escalas menores, a microrreologia usa o movimento de partículas-sonda microscópicasSão partículas muito pequenas usadas como marcadores. Ao acompanhar como elas tremem ou se deslocam, é possível inferir propriedades do material ao redor. dispersas no material para inferir propriedades mecânicas locais ou macroscópicas. Na microrreologia passiva, o movimento vem de flutuações térmicas.Mesmo sem uma força aplicada de fora, moléculas estão em movimento por causa da temperatura. Esse movimento aleatório empurra as partículas microscópicas. Na microrreologia ativa, forças externas movem as partículas.
A nanorreologia leva esse tipo de estudo a escalas nanométricas, inclusive a filmes confinados entre superfícies."Filme" aqui é uma camada muito fina de material. Presa entre duas superfícies, ela pode escoar de modo diferente do mesmo material em grande quantidade.
A caracterização experimental do comportamento reológico recebe o nome de reometria, embora alguns experimentalistas também usem "reologia" como sinônimo de reometria. A reologia teórica procura ligar escoamento e deformação à estrutura interna do material, como a orientação e o alongamento de moléculas poliméricas, e formula relações constitutivas para casos que não cabem nos modelos mais simples da mecânica dos fluidos ou da elasticidade.
Equações constitutivas e funções reológicas
Uma equação constitutiva liga o estado de tensão de um material às deformações, às taxas de deformação e, quando necessário, ao histórico do movimento.Alguns materiais têm uma espécie de "memória" mecânica. A resposta presente pode depender de quanto e por quanto tempo eles foram deformados antes. No caso newtoniano, basta uma relação simples entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. Materiais viscoelásticos e não newtonianos exigem equações mais gerais.
No modelo plástico ideal de Bingham, a taxa de cisalhamento permanece nula enquanto a tensão está abaixo de um limite de escoamento. Depois desse limite, a tensão excedente cresce linearmente com a taxa de cisalhamento. O modelo de Herschel-Bulkley usa uma lei de potênciaUma lei de potência relaciona duas grandezas por meio de um expoente. Esse expoente controla como a curva cresce e permite representar respostas que não são lineares. acima da tensão de escoamento e pode lidar com afinamento ou espessamento por cisalhamento. O modelo de Carreau-Yasuda, usado em materiais pseudoplásticos sem tensão de escoamento, acompanha a passagem de um patamar de viscosidadeUm patamar é uma faixa em que a viscosidade muda pouco mesmo quando a taxa de cisalhamento continua mudando. em baixas taxas de cisalhamento para uma região de afinamento e, em certos casos, para outro patamar em taxas muito altas.