Rheological changes in “native” human blood prior to and during coagulation

Zusammenfassung Die Änderung der Viskosität von nativem Blut in Abhängigkeit von Zeit und Druck in einem Kapillarviskosimeter folgen einem bestimmten Schema: bei gesunden Versuchspersonen folgt einem starken Abfall ein Anstieg, bevor die Gerinnung einsetzt.Derartige Untersuchungen sind auch an Blutproben von Patienten, die an gewissen seltenen Krankheiten leiden, besonders solchen mit Mangel an Gerinnungsfaktoren, gemacht worden. Die erhaltenen Beziehungen entsprechen nicht dem normalen Verlauf. Da jedoch zu wenig Patienten zur Verfügung standen, ist es jedoch schwer zu sagen, ob diese Abweichungen für diese Krankheiten typisch sind.An Multiple Sklerose Erkrankten sind genügend Untersuchungen durchgeführt worden. Es ist wahrscheinlich, daß für diese Krankheit ein eigenartig systemloses Verhalten typisch ist. Dieses ist anscheinend unabhängig von der betreffenden Therapie. Es stellt sich nicht ein, wenn es zu schweren Komplikationen im Krankheitsverlauf gekommen ist. Dieser Test ist aber nicht genügend empfindlich für die Frühdiagnose.Nach Beginn der Gerinnung folgen alle normalen und pathologischen Zustände derselben Gleichung für die Gerinnungskinetik, aber natürlich nicht mit denselben Gleichungskonstanten.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Studies on the nature and significance of macromolecular complexes in the rheology of synovial fluid from normal and diseased human joints

Summary The rheological characteristics of synovial fluid have been examined with aWeissenberg Rheogoniometer.Rheological evidence for the existence of a macromolecular complex in normal but not in inflammatory joint fluids has been deduced from experiments with hydrogen bond breaking agents.Further flow experiments with measurements of relaxation time and activation energy for viscous flow appear to support the contention that macromolecular complexes do exist in normal fluid and that dilution alone does not account for their dissolution in inflammatory joint diseases.Proteolytic enzyme extracts from inflammatory synovial fluid appear to have no effect on the flow characteristics of normal synovial fluid.Attempts to identify the nature of the macromolecular complex by analytical ultracentrifugation were not successful.It is concluded that rheological techniques offer a way of investigating macromolecular interactions when classical chemical methods may not be appropriate.

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Zusammenfassung Es ist gut bekannt, daß Synovialflüssigkeit von rheumatisch-veränderten Gelenken eine geringere Viskosität hat, weniger Nicht-Newtonsches Verhalten zeigt und weniger elastisch ist als Synovialflüssigkeit von normalen Gelenken. Thixotropie, die normale Synovialflüssigkeit charakterisiert, ist in Synovialflüssigkeit von kranken Gelenken verringert oder nicht vorhanden. In dieser Veröffentlichung werden rheologische Experimente beschrieben, die mit normaler und rheumatisch veränderter Synovialflüssigkeit durchgeführt worden sind, um diese Veränderungen in Theologischen Besonderheiten zu erklären.Das Fließverhalten wurde mit einemWeissenberg-Rheogoniometer (Typ R 16) unter kontinuierlicher Schubbelastung untersucht.Andere Forscher haben gezeigt, daß in rheumatischer Synovialflüssigkeit die Hyaluronsäure abgebaut und daß die Konzentration an Hyaluronsäure-Eiweißkomplex reduziert wird. In-vitro-Experimente haben in unserem Labor auch gezeigt, daß Zugabe von wasserstoffbrückenzerstörenden Reagenzien zu normaler Synovialflüssigkeit das Fließverhalten von dieser der rheumatischen Synovialflüssigkeit sehr ähnlich machen. Rheologische Daten, die in Detail gegeben werden, zeigen, daß in normaler Synovialflüssigkeit ein makromolekularer Komplex vorhanden ist, der in rheumatischer Flüssigkeit dissoziiert.Die Art und Bedeutung dieses makromolekularen Komplexes sind weiter untersucht worden, besonders durch Bestimmung der Aktivierungsenergien für laminares Fließen von mehreren Synovialflüssigkeiten. Diese Daten wurden gestützt durch Ergebnisse von analytischen Ultrazentrifugen-Experimenten und durch weitere rheologische Experimente mit Extrakten von proteolytischen Enzymen.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Histological examination of sputum during rotoviscometry

Summary Sputum of chronic bronchitic patients was examined by rotoviscometry. Histochemistry of samples taken at specific points on the curve demonstrated marked structural damage during viscometry. The sputum had a time dependent ability to regain its rheological property which was independent of the intact fibre system of the material.

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Zusammenfassung Sputum von Patienten mit chronischer Bronchitis wurde gesammelt und mit einem Rotationsviskosimeter untersucht. EinFerranti-Shirley-Viskosimeter mit einem automatischen Schreiber wurde benutzt. Die Bedingungen für die Viskositätsmessung wurden standardisiert; charakteristische Kurvenpunkte wurden analysiert.Histochemische Untersuchungen von Proben, die an spezifischen Stellen der Kurven entnommen worden waren, zeigten deutliche Strukturänderungen während der Viskositätsuntersuchungen. Vor dem Erreichen des Fließpunktes war eine Schädigung des Sputums nicht ersichtlich, aber danach war ein irreversibler Zusammenbruch beobachtet worden.Die Bedeutung dieser Beobachtung wird diskutiert, soweit sie auf das Verhalten von Sputum als nicht-Newtonsches Material während der Theologischen Untersuchungen zutrifft.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Rheological changes occurring during the storage of the system sodium dodecyl sulphate/1-hexadecanol/water

Summary The physical decomposition of the system formed when sodium dodecyl sulphate, 1-hexadecanol and water are heated, mixed and cooled could be achieved at an accelerated rate by cycling the storage temperature between 5–7 °C and 20–25 °C. This decomposition caused the formation of pearliness and the systems became progressively more fluid with loss in rigidity.The changes in the rheological properties of the systems were investigated at 25 °C using a modifiedWeissenberg Rheogoniometer, anEpprecht Rheomat 15 viscometer, and a concentric cylinder air turbine viscometer.The systems are referred to by a code R_x where x is the molar ratio of 1-hexadecanol to sodium dodecyl sulphate. The systems R₁–R₁₀ were examined during temperature cycling for a maximum period of eight days. During this period, the systems R₁–R₄ progressively increased in consistency when examined in continuous shear using anEpprecht Rheomat 15, concentric cylinder viscometer. System R₅ was also examined using anEpprecht Rheomat 15, but after increasing in consistency up to the fourth day, thereafter decreased in consistency. Systems R₃ to R₁₀ were investigated in creep mode. For R₃ and R₄, the compliance progressively decreased over a period of eight days, whereas for systems R₅–R₈ compliance was found to pass through a minimum about four days after preparation and the start of temperature cycling. Thereafter it increased. For R₉ and R₁₀, the creep compliance at one hour increased continuously during the eight day period.

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Zusammenfassung Beschleunigte Zersetzung des Systems, das beim Erwärmen, Mischen und Kühlen von Natriumdodecylsulfat, 1-Hexadekanol und Wasser entsteht, wurde durch zyklische Temperaturänderungen zwischen 5–7 und 20–25 °C bewirkt. Durch Zersetzung wurde das System perlmutterartig verfärbt und unter Verlust an Festigkeit fließfähiger.Die Änderungen im rheologischen Verhalten wurden mit einem modifiziertenWeissenberg-Rheogoniometer, einem Rheomat-15-Viskosimeter, und einem Luftturbinen-Viskosimeter mit konzentrischen Zylindern untersucht.Auf die verschiedenen Systeme wird mit einem Code R_x Bezug genommen, wobei x das molare Verhältnis von 1-Hexadekanol zu Natriumdodecylsulfat ist. Die Systeme R₁–R₁₀ wurden über einen Zeitraum von 8 Tagen unter dem Einfluß von zyklischen Temperaturänderungen untersucht. Innerhalb dieses Zeitraumes nahmen die flüssigen Systeme R₁–R₄, wie kontinuierliche Scherexperimente mit dem Rheomat 15 Viskosimeter (konzentrische Zylinder) zeigten, beständig an Konsistenz zu. System R₅ wurde auch mit dem Rheomat 15 untersucht; es zeigte aber, nach einer Konsistenzzunahme bis zum 4. Tag, eine Abnahme an Konsistenz. Die Systeme R₆–R₁₀, die mehr Festkörper-Charakter hatten, wurden mit Hilfe von Kriechtesten untersucht. Die dynamische Nachgiebigkeit bei 1 Std. ging durch ein Minimum 4 Tage nach der Herstellung bei Lagerung mit zyklischer Temperaturänderung. Danach nimmt sie zu. Für R₉–R₁₀ nahm die dynamische Nachgiebigkeit bei 1 Std. kontinuierlich über die 8 Tage zu.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Rheological simulation of synovial fluid by a synthetic macromolecular solution

Summary The flow characteristics of a series of potential synthetic synovial fluids have been examined. These were mainly solutions of polyvinyl pyrrolidone in water. The techniques leading to the production of a fluid with flow properties very similar to normal synovial are described.The apparent shear elasticity and relaxation time data of the synthetic fluid as compared to normal fluid are discussed in terms of the relative importance of intermolecular entanglement and intermolecular complexing in the 2 fluids.

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Zusammenfassung Die Synovialflüssigkeit von normalen menschlichen Gelenken zeigt ein charakteristisches Theologisches Verhalten, das stark verändert ist, wenn das Gelenk von rheumatischer Arthritis befallen ist. Um die Möglichkeit der Substitution mit einer synthetischen Gelenkflüssigkeit im krankhaften Gelenk zu bewerten, mit dem Ziel die Symptome zu erleichtern und den Prozeß der Gelenkzerstörung zu verzögern, wurde besonders Wert darauf gelegt, eine Polymerlösung zu finden mit ähnlichen Theologischen Eigenschaften wie eine normale Synovialflüssigkeit. Es wird angenommen, daß das besondere rheologische Verhalten einer normalen Synovialflüssigkeit (hohe Viskosität und Elastizität, ausgeprägtes nicht-Newtonsches Verhalten und Thixotropie) von Bedeutung für das Schmieren von Gelenken ist, obwohl ihre genaue Bedeutung im Bezug auf Reibung noch nicht gesichert ist und augenblicklich diskutiert wird.Fließexperimente wurden mit einemWeissenberg-Rheogoniometer usgeführt und mit einem UV-Schreiber registriert, um genaue Fließ-Spannungswerte zu erhalten.In dieser Abhandlung werden Ergebnisse über das Fließverhalten verschiedener möglicher synthetischer Flüssigkeiten veröffentlicht einschließlich der, die schließlich gewählt wurde: eine Lösung von umgewandeltem PVP (Polyvinylpyrrolidon). Dies ist ein wasserlöslicher hochmolekularer Stoff, der sich als physiologisch verträglich und nicht-toxisch gezeigt hat. Wäßrige 10%ige Lösungen mit hochmolekularem PVP ha ben ein Viskositätsverhalten, das bei niedrigerer Schubbel astung der normalen Synovialflüssigkeit ähnlich ist, aber nichtthixotropes und nur leicht nicht-Newtonsches und elastisches Verhalten zeigt. Im Labor hergestelltes hochgereinigtes PVP ergab ein Polymerisat, das in Lösung ein ähnliches Verhalten zeigte wie Handelsmaterial. Bestrahlung jedoch mit einer kritischen Dosis von 1,5 mrad in einem UCR 100 Reaktor erzeugte ein Polymerisat, das in 10%iger wäßriger Lösung ein Fließverhalten zeigte, das der normalen Synovialflüssigkeit sehr ähnlich war.Diese Ergebnisse werden im Detail dargelegt: besonders die Eigenschaften unter Höchstbelastung, die bei Beginn einer Schubbelastung in tangentialer als auch in normaler Richtung auftreten. Die Wirkung von anderen Bestrahlungsdosen auf das Theologische Verhalten wird auch beschrieben. Die Scher-Resistenz der synthetischen Flüssigkeit wurde mit einem Rheogoniometer und einem Gelenk-Simulator getestet und die Schmiereigenschaften mit der normalen Synovialflüssigkeit verglichen.Die Bedeutung der Theologischen Ergebnisse wird im Licht der neuen Theorien für Lösungen von Polymeren, die einem Scherfließen unterworfen sind, diskutiert, und mögliche Anwendungen auf andere biologische Flüssigkeitssysteme werden vorgeschlagen.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Einfache Kriechgleichungen für nichtlinear-viskoelastische Werkstoffe

Zusammenfassung Polymerwerkstoffe zeigen nichtlineare isochrone Spannung-Dehnung-Beziehungen, der Grad der Nichtlinearität wächst mit der Spannung und der Zeit. Diese Werkstoffe besitzen im allgemeinen auch einen höheren Verformungswiderstand unter Druck- als unter Zugkriechbedingungen. Dieses Verhalten kann mit der üblichen Viskoelastizitätstheorie nicht in geeigneter Weise beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit sind deshalb neue anwendungsorientierte Stoffgleichungen formuliert. Sie gehen von einem elastischen Potential aus, das für Werkstoffe mit unterschiedlichem Verhalten bei Zug- und Druckbeanspruchung gilt und das nur die experimentellen Ergebnisse aus genormten Grundversuchen benötigt. Die Gleichungen ermöglichen die Vorhersage isothermen Kriechverhaltens nichtlinear-viskoelastischer Werkstoffe unter mehrachsiger zeitunabhängiger Belastung.

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Solid polymers exhibit nonlinear isochronous stress-strain relationships, the degree of non-linearity increasing with stress and time. These materials commonly also display a greater resistance under compression creep conditions than under those of tension. The traditional theory of viscoelasticity does not describe this behaviour properly. Therefore, new application-oriented constitutive equations are formulated. These start from an elastic potential for materials with different responses to tension and compression, also requiring experimental results from standardized basic tests. The equations enable the engineer to predict isothermal creep behaviour of a nonlinear viscoelastic material under multiaxial, time-independent loading conditions.

Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 13.–15. Mai 1985.     

On the behaviour of rubberlike materials in compression and shear

Summary The mechanical behaviour of rubberlike materials is modelled in a phenomenological approach using a strain-energy formulation. Nonhomogeneous shear experiments on solid rubber specimens have been carried out as well as simple elongation tests on the same rubber compound. The elongation tests have been used to determine the model constants. By a comparison between experiment and numerical simulation of the nonhomogeneous shear test the predictive capabilities of the Mooney-Rivlin, the Ogden and the Besseling model have been assessed for compression-shear deformation paths. An analytical study explains the numerically observed behaviour.

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Über das Verhalten von Gummimaterialien unter Druck und Schubverformungen

Übersicht Das mechanische Verhalten von Gummimaterialien wird phänomenologisch modelliert unter Anwendung einer Formänderungsenergiefunktion. Es sind nicht-homogene Schubversuche auf dreidimensionale Versuchsproben aus Gummi so wie auch einfache Verlängerungsversuche auf Gummiproben der gleichen Zusammenstellung durchgeführt worden. Die Verlängerungsversuche sind durchgeführt worden um die Stoffkennwerte feststellen zu können. In einer Vergleichung zwischen dem Experiment und der numerischen Simulation von nicht-homogenen Schubversuchen ist die Genauigkeit des Mooney-Rivlinschen Modells, des Ogdenschen Modells und des Besselingschen Modells für kombinierte Druck-Schubverformungen festgestellt worden. In einem analytischen Studium wird das numerisch betrachtete Verhalten auseinandergesetzt.

     

The investigation of the dynamic viscoelastic functions of printing inks.

Summary The dynamic viscoelastic properties are reported for a number of printing inks and of commercial resins in the frequency range 3 Hz and 85 kHz and the temperature range 0° and 50°C. They are compared with the properties of some polymer solutions reported in the literature; notably, over a limited frequency range, they fit theZimm equation.

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Zusammenfassung Das dynamisch-viskoelastische Verhalten einiger Druckerei-Tinten und handelsüblicher Harze wurde in den Bereichen 3 Hz – 85 kHz, 0–50°C untersucht und mit dem in der Fachliteratur für einige Polymerlösungen beschriebenen Verhalten verglichen.Zimms Gleichung erwies sich in einem beschränkten Frequenzintervall als gut anwendbar.

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Reference (1) is taken as Part I.

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This paper was presented in part at a meeting of the British Society of Rheology, September 1971.

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With 8 figures and 3 tables     

Structure and rheology of emulsions stabilised by mixed emulsifiers

Summary The formulation of oil-in-water emulsions which have the mechanical properties of semi-solids, i. e. creams, involves both theoretical and practical problems. One solution is to use combinations of ionic or non-ionic surfactants with a fatty alcohol, as in Emulsifying Wax B. P., Cetrimide Emulsifying Wax B. P. C. and Cetomacrogol Emulsifying Wax B. P. C. By altering the total amount of such a mixed emulsifier in a formulation, the consistency may be varied from liquid to semi-solid. The rheological properties of such emulsions have been explained on the assumption that a viscoelastie network exists in the continuous phase, linking disperse phase globules. The nature, extent and strength of this network controls the flow properties of the system. This theory is discussed with particular reference to the anionic surfactant sodium dodecyl sulphate, the cationic surfactant cetrimide, and the long chain alcohols cetyl and stearyl and their mixtures. The importance of testing at small strains is emphasised e. g. creep and oscillatory testing, and it is shown that continuous shear methods, although theoretically less satisfactory, may also provide useful information.

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Zusammenfassung Das Formulieren von Öl-in-Wasser-Emulsionen mit mechanischen Eigenschaften von halbfesten Stoffen, wie z. B. Cremes, bringt theoretische und praktische Probleme mit sich. Die Kombination von ionischen oder nicht-ionischen oberflächenaktiven Stoffen mit Fettalkoholen, wie z. B. in emulsifying wax B. P., cetrimide emulsifying wax B. P. C. und cetromacrogol emulsifying wax B. P. C. ist eine Lösung. Durch Änderung des Anteiles eines solchen gemischten Emulgators in einer Formulierung kann die Konsistenz von flüssig bis halbfest variiert werden. Die rheologischen Eigenschaften sind unter der Annahme, erläutert worden daß in der kontinuierlichen Phase ein viskoelastisches Netzsystem vorhanden ist, das die kugelförmigen Anteile der dispersen Phase verbindet. Die Art, das Ausmaß und die Stärke dieses Netzwerkes beeinflussen das Fließverhalten des Systems. Diese Theorie wird diskutiert, wobei der anionische Emulgator Natriumdodecylsulfat, das kationische Cetrimide und die langkettigen Cetyl- und Stearylalkohole und Mischungen aus den beiden besonders berücksichtigt werden. Betont wird die Bedeutung des Testens unter geringen Belastungen, wie z. B. Kriechund oszillierende Beanspruchungen; es wird gezeigt, daß kontinuierliche Schermethoden auch brauchbare Aussagen liefern, obwohl diese in theoretischer und praktischer Hinsicht weniger befriedigen.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970     

Dynamic mechanical testing of living skin

Summary There are no well established methods for the measurement of mechanical properties of living human skin. Thus the optimisation of the design in many of the procedures of reconstructive surgery is not achieved. There are also no objective methods for assessing the mechanical behaviour of skin and allied tissues during the treatment of rheumatic and other similar diseases. A method was developed to aid the study of these superficial tissues in the range of displacement and velocity encountered in life. The equipment incorporates a brushless d.c. torque motor with proportional plus derivative position feedback. This arrangement facilitates accurate analysis of the torque response of the human skin when subjected to various types of positioning input. Preliminary studies have been conducted using sinusoidal, trapezoidal and square wave displacement functions.The mechanical phenomena encountered bothin vivo andin vitro on the same skin sample under identical surface boundary conditions illustrate changes in tissue behaviour occurring after excision. The associated microarchitectural changes have been examined using a scanning electron microscope.

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Zusammenfassung Es gibt keine gut begründeten Methoden zur Messung der mechanischen Eigenschaften lebender menschlicher Haut. Daher ist das optimale Vorgehen bei vielen Verfahren der Wiederherstellungschirurgie noch nicht erreicht worden. Ebenso existieren keine objektiven Methoden zur Abschätzung des mechanischen Verhaltens von Haut und verwandten Geweben während der Behandlung von rheumatischen oder ähnlichen Erkrankungen. Es wurde eine Methode zur Untersuchung dieser Oberflächengewebe in Verschiebungs- und Geschwindigkeitsbereichen, wie sie im Leben vorkommen, entwickelt. Die Apparatur besteht aus einem bürstenlosen Gleichstrommotor konstanten Drehmoments mit proportionaler und geschwindigkeitsabhängiger Lagerrückführung. Dieser Aufbau erleichtert die genaue Analyse der Torsionskraftempfindlichkeit menschlicher Haut, wenn diese verschiedenen Arten von Lageeingaben ausgesetzt wird. Vorläufige Untersuchungen wurden unter Benutzung von sinus-, trapez- und rechteckförmigen Wegfunktionen durchgeführt.Die mechanischen Erscheinungen, denen manin vivo undin vitro an der gleichen Hautprobe bei identischen Grenzflächeneigenschaften der Oberfläche begegnet, verdeutlichen die Veränderungen der Gewebeeigenschaften, die nach einer Exzision auftreten. Die begleitenden Veränderungen der Mikroarchitektur wurden mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops untersucht.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Study of the effect of mechanical working on the rheological properties of some potential artificial lubricants for human joints

Conclusion The effect of mechanical working on polyethylene oxide suggests that, although this substance fulfils many of the criteria for an artificial lubricant in human joints, it is unlikely to be successful in vivo over a prolonged period. This is probably due to the weak linkages present. The simplicity of the structure might have led one to think that it would withstand mechanical degradation more satisfactorily than a more complex molecule, but the experiments demonstrate that this is not so. Sodium carboxymethyl cellulose, on the other hand, shows a high degree of resistance to mechanical degradation and a successful artificial lubricant is likely to be closer to this configuration in which bonds are less exposed.

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Zusammenfassung Die Bio-Ingenieur-Gruppe für das Studium von menschlichen Gelenken an der Universität Leeds hat angedeutet, daß Osteoarthrosis in leicht angegriffenen lasttragenden Gelenken mit künstlichen Schmiermitteln erleichtert werden könnte. Wenn das künstliche Schmiermittel erfolgreich die Schmierfunktion übernehmen soll, die die normale Synovialflüssigkeit erfüllt, dann sollte es ähnliche Theologische Eigenschaften aufweisen. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse einer Studie über die Theologischen Eigenschaften einiger potentieller künstlicher Schmiermittel aufgezeichnet.Einige Polymerlösungen zeigen insgesamt ein rheologisches Verhalten, das der Synovialflüssigkeit sehr ähnlich ist; der Einfluß der Konzentration, der Schubbelastung und der Arbeitsmechanik auf dieses Verhalten wird beobachtet werden. Die Viskosität der Polymerlösung wird unter verschiedenen Bedingungen mit einemFerranti-Shirley-Viskosimeter (Konus auf Platte)gemessen. Das Schmiermittel wurde auch in einem besonderen Hüftgelenk-Simulator getestet, der für Belastungen und Geschwindigkeiten, ähnlich der einer natürlichen Gehbewegung, programmiert war. Es wird gezeigt, daß die Viskosität abnimmt und daraufhin sich teilweise wieder erholt.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Rheological behaviour of asphalts

Summary Stiffness moduli of asphalts of different origins and penetration grades were measured at various temperatures by the sliding plate rheometer. The creep curves obtained were best explained on the basis of Burgers mechanical model. For small loading times and at low temperatures, the stiffness modulus curves converged with the horizontal elastic asymptote and showed maximum values of 5 10⁸ pascals. For longer loading times and at high temperatures the stiffness modulus converged with the viscous asymptote. The stiffness moduli calculated from the combined equations ofSchweyer et al. and ofWilliams-Landell-Ferry for temperatures ranging from –10 to 20°C and those obtained experimentally agreed well only at 20°C. For short loading times (< 50 sec) the experimental stiffiness modulus values agree well with those read from theVan Der Poel nomograph.

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Zusammenfassung Mittels eines Gleit-Platten-Rheometers wurden an einer Reihe von Asphaltproben verschiedener Herkunft und mit verschiedenen Penetrationsgraden bei unterschiedlichen Temperaturen Steifheitsmoduln bestimmt. Die erhaltenen Kriechkurven ließen sich am besten mit Hilfe eines rheologischen Modells nachBurgers darstellen. Bei kurzen Belastungszeiten und niedrigen Temperaturen strebten die Steifheitsmodul-Kurven gegen die das elastische Verhalten beschreibende horizontale Asymptote mit Maximalwerten von 5 10⁸ Pa. Bei längeren Belastungszeiten und höheren Temperaturen strebten diese Kurven jedoch gegen die das viskose Verhalten kennzeichnende Asymptote. Die mittels der kombinierten Gleichungen nachSchweyer et al. und nachWilliams-Landel-Ferry für Temperaturen zwischen –10 und 20°C berechneten Steifheitsmoduln stimmten nur für 20°C gut mit den experimentell ermittelten Werten überein. Für kurze Belastungszeiten (<50 sec.) decken sich die experimentellen Steifheitsmoduln recht genau mit den aus dem Nomogramm nachVan Der Poel abgelesenen Werten.

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With 6 figures and 11 tables     

Formulierung des mechanischen Werkstoffverhaltens bei zeitabhängiger Spannung-Verformung-Beziehung

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit werden Rechenverfahren untersucht, mit deren Hilfe das mechanische Verhalten nichtlinearer viskoelastischer Werkstoffe bei unterschiedlicher Beanspruchungsart beschrieben werden kann.Da der einachsige isotherme Kriechversuch am einfachsten Auskunft über das zeitabhängige Werkstoffverhalten gibt, sind mehrere empirische Kriechgesetze angegeben. Eine zweckmäßige Funktion für Kurzzeitbeanspruchung ist der multiplikative Potenzansatz nachNutting. Zur Verringerung des experimentellen Aufwands werden unter Verwendung verschiedener Annahmen die Ergebnisse unterschiedlicher Belastungsgeschichten denen des Kriechversuchs mit konstanter Spannung zugeordnet.Unter der Voraussetzung der Existenz einer mechanischen Zustandsgleichung wird nachgewiesen, daß die meisten empirischen Kriechgesetze zu einer allgemeinen Zustandsgleichung führen. Die Übereinstimmung zwischen der Rechnung nach dieser Gleichung und den Ergebnissen aus Zugversuchen mit konstanter Dehngeschwindigkeit läßt die Existenz einer mechanischen Zustandsgleichung auch für die untersuchte Gruppe von Werkstoffen vermuten, allerdings nur für Sonderfälle der Beanspruchung.Der Vergleich einiger Kriechhypothesen für variable Belastungsgeschichte zeigt, daß eine nichtlineare Erinnerungsfunktion das zeitabhängige Verhalten nichtlinearer viskoelastischer Polymere bei Kurzzeitbeanspruchung richtig wiedergibt. Damit und im Vergleich mit Meßergebnissen ist eine geschlossene Darstellung des Werkstoffverhaltens bei unterschiedlicher Beanspruchungsart erreicht worden.Eine Methode zur Vorhersage nichtlinearer Spannungsrelaxation aus den Ergebnissen einachsiger Kriechversuche mit jeweils konstanter Spannung wird angegeben. Bei Verwendung der Zeitverfestigungshypothese und einer Näherungsfunktion kann das Relaxationsverhalten auch bei mehrstufiger Dehnungsgeschichte in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen beschrieben werden.Über die Theorie des plastischen Potentials können empirische Kriechgesetze für den mehrachsigen Spannungszustand verallgemeinert werden. Die sich daraus ergebenden Beziehungen werden zur Berechnung des Kriechverhaltens bei kombinierter Zug-Torsions-Beanspruchung mit spontaner Spannungsänderung verwendet.Keine der untersuchten Kriechtheorien beschreibt das Werkstoffverhalten vollständig. Schon im Zustand mechanischer Stabilität werden unterschiedliche Rechenverfahren benötigt. Jedoch hat dieses Konzept den Vorteil, daß allein die Ergebnisse einer Beanspruchungsart in Verbindung mit einfachen Näherungsmethoden genügen, um das Werkstoffverhalten in anderen Beanspruchungssituationen zu berechnen.

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Summary In this paper calculation procedures are investigated in order to formulate the mechanical behaviour of nonlinear viscoelastic materials at different loading history.Isothermal creep under constant uniaxial stress is the easiest way of gathering relevant data of time-dependent materials. Therefore various empirical expressions for creep are presented. A useful function for short loading times is theNutting equation. As it is desirable that other loading forms are related to this test some alternative theories are employed.Assuming the existence of a mechanical equation of state it is proved that a general equation can be derived from most of the empirical creep laws. The agreement between the prediction of this equation and the tension test data at different strain-rate lends support to the existence of a mechanical equation of state also for this group of materials, but only for a special case of loading form.A comparison of some creep theories for variable stress indicates that a nonlinear hereditary function represents the memory dependent behaviour in the short time range. A close agreement between the experimental response to different loading histories and the response predicted by the hereditary representation is found.A method is described for predicting nonlinear stress relaxation from nonlinear creep data under constant uniaxial stress. This method utilizes the time hardening theory and as a first approximation an inversion of the function describing creep at constant stress. Using this concept and the hereditary representation the behaviour during a multistep strain history is computed and found to be in good agreement with relaxation data.By employing a yield criterion based on the plastic potential uniaxial creep laws may be generalized to represent creep under combined stress. The relations deduced are applied to predicted creep behaviour in combined tension-torsion loading with abrupt changes in stress.For variable loading history none of the theories which have been described is totally satisfactory. In the absence of thermal softening and structural changes the results indicate that different calculation procedures are necessary to compute the mechanical behaviour of nonlinear viscoelastic materials But this concept has the advantage that the results from one test form and simple curve fitting technique alone are sufficient to formulate the behaviour of a material under another situation where the stress or strain are different.

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Vortrag, gehalten auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 8.–10. Mai 1978.

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Mit 13 Abbildungen und 2 Tabellen     

Zur Fahrmechanik des gummibereiften Kraftfahrzeugs

Zusammenfassung Auf Grund der Erkenntnis, da\ ein gummibereiftes Rad nur dann Seitenkräfte aufnehmen kann, wenn es schräg zur Fahrtrichtung läuft, und da\ diese Seitenkräfte dem Raddruck nicht proportional sind, wurde das Verhalten eines mit konstanter Geschwindigkeit fahrenden Kraftfahrzeugs unter Beschränkung auf kleine Schräglaufwinkel untersucht. Es wurden die Gleichungen und je ein Beispiel für die beiden Hauptprobleme angegeben, entweder den für eine gegebene Bahn notwendigen Lenkeinschlag oder die mit einem gegebenen Lenkeinschlag sich ergebende Bahn zu bestimmen. Dabei zeigte sich, da\ der Schwimmwinkel des Fahrzeugs nicht in allen Fahrzuständen klein bleibt, sondern unter gewissen Bedingungen, die erörtert wurden, mit der Zeit über alle Grenzen wächst. Diese Stabilitätsbedingungen unterscheiden sich je nachdem, ob man eine bestimmte Schwerpunktsbahn durch genau bestimmte Lenkbewegungen erzwingt, welche die Rückwirkungen des Schwimmens auf die Schwerpunktsbahn in jedem Augenblick ausgleichen, oder ob man von einem beliebigen Lenkeinschlag ausgeht, wobei die Schwerpünktsbahn durch die Schwimmbewegungen des Fahrzeugs gestört wird, die ihrerseits wieder auf äu\ere oder Einlaufstörungen zurückzuführen sind. Praktisch sind die Stabilitätsbedingungen dieser zweiten Art von grö\erer Bedeutung, da man nicht voraussetzen darf, da\ der Fahrer jeweils genau der ersten Bedingung entsprechend lenkt.Schlie\lich wurde noch berechnet, wie man einem mä\igen Seitenwind entgegensteuern mu\, und unter welcher Bedingung das Fahrzeug dagegen unempfindlich ist.Die Arbeit wurde mit Unterstützung des Herrn Reichsverkehrsministers im Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren an der Technischen Hochschule Stuttgart durchgeführt.     

End effects and particle migration effects in concentric cylinder rheometry

Summary End corrections for concentric cylinder viscometers are shown to depend on the properties of the fluid tested and are often much larger for non-Newtonian than for Newtonian fluids. The cylinder ends may contribute to the total torque an amount equal to 36% (compared with 16% for a Newtonian fluid) of the torque on the cylindrical surfaces in the case of the Rheomat 15 (system MS-A). Similar results have been obtained with another instrument but the corrections appear to be quite small for a Ferranti Portable viscometer.We have shown that during measurements on suspensions of spheres in viscoelastic non-Newtonian fluids in a concentric cylinder apparatus particle redistribution and migration effects occur which are similar to those reported earlier in cone-plate viscometry. The particles form rings and also migrate from the gap. The effect is not found with Newtonian fluids or with non-Newtonian fluids which do not produce a normal force when tested in a rheogoniometer.

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Zusammenfassung Es wird gezeigt, daß Endkorrekturen für konzentrische Zylinderviskosimeter von den Eigenschaften der geprüften Flüssigkeiten abhängen und oft für nichtnewtonische Flüssigkeiten viel größer sind als für newtonische. Der Beitrag der Zylinderenden zum Gesamtdrehmoment kann sich auf 36% (verglichen mit nur 16% bei newtonischen Flüssigkeiten) des Drehmomentes auf die zylindrischen Oberflächen beim Rheomat 15 (MS-A) belaufen. Ähnliche Ergebnisse sind mit einem anderen Instrument ermittelt worden, aber für ein tragbares Ferranti-Viskosimeter scheinen diese Korrekturen zu klein zu sein.Wir haben gezeigt, daß bei Messungen von suspendierten kugelförmigen Teilchen in viskoelastischen nicht-newtonischen Flüssigkeiten in einer konzentrischen Zylinderapparatur Wiederverteilung und Wanderung eintritt, die den früher beschriebenen Effekten ähnlich sind. Die Teilchen bilden Ringe und es findet auch eine Wanderung aus dem Spalt statt. Dieser Effekt findet sich weder bei newtonischen noch bei nicht-newtonischen Flüssigkeiten, die keine Normalkraft erzeugen, wenn sie in einem Rheogoniometer geprüft werden.

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Paper presented at the Conference on Experimental Rheology, University of Bradford, April 17–19, 1968.     

Über das mechanische Kurz- und Langzeitverhalten Kristalliner Polyolefine — Relaxationsspektren von Niederdruckpolyäthylen und Polypropylen

Zusammenfassung Das molekulare Verhalten von Niederdruckpolyäthylen (PÄ) und Polypropylen (PP) bei mechanischer Beanspruchung wurde an streifenförmigen Meßproben mit Hilfe des Spannungsrelaxations-(Langzeit-) und des Schwingungs-(Kurzzeit-)Versuchs nach der Biegewellenmethode untersucht. Aus den gemessenen Zeitkurvenscharen des Relaxationsmoduls und den Frequenzkurven des dynamischen Elastizitätsmoduls und des zugehörigen Verlustfaktors mit der Temperatur als Parameter wurden die Relaxationsspektren für verschiedene Temperaturen im Bereich der Relaxationszeit 10^–4 ... 10⁴ sec ermittelt. Durch Reduktion der Frequenzkurven des Verlustmoduls ließen sich die Spektren bei Reduktionstemperaturen nahe 20 °C erweitern, beim PÄ auf den Bereich 10^–4 ... 10⁴ sec; auf die Zeitkurvenscharen ist das Reduktionsverfahren nicht anwendbar.Bei beiden teilkristallinen Polyolefinen treten im Relaxationsspektrum ein Kurzzeitmechanismus (K.-M.) in den amorphen Bereichen, von dem das zähelastische Verhalten bei Schlagbeanspruchungen abhängt, und ein Langzeitmechanismus (L.-M.) in den kristallinen Bereichen stark hervor. PÄ friert unterhalb –100°C ein, PP etwa bei –35°C; PÄ schmilzt bei 125 bis 130°C, PP etwa bei 165 °C. Dementsprechend sind die Schwerpunkte des Spektrums des PP gegenüber denen des PÄ nach längeren Zeiten verschoben. PP ist unterhalb 20°C noch im Übergangsgebiet vom glasartig spröden Zustand zum viskoelastischen in den amorphen Bereichen. Bei Raumtemperatur sind dort beide Stoffe viskoelastisch, und die kristallinen Anteile geben den Materialien ihre hohe Steifheit.Bei 24 °C liegt der Schwerpunkt des Spektrums im Falle der K.-M. des PÄ bei 10^–9 ... 10^–8 sec, des PP bei 10^–5 bis 10^–4 sec, im Falle der L.-M. des PÄ bei 0,1 bis 1 sec, des PP bei etwa 100 sec. Die Aktivierungs-energie der K.-M. beträgt etwa 10 kcal/Mol beim PÄ, etwa 30 kcal/Mol beim PP. Die Aktivierungsenergien der L.-M. sind nahe gleich denen der K.-M. Bei ruckartiger Dehnung nehmen beim hochkristallinen PÄ die L.-M. mehr Energie auf, beim weniger kristallinen PP die K.-M.; hieraus erklärt sich die schnellere Rückfederung des PP im praktischen Gebrauch.Die Verfasser danken Herrn Dr.F. Linhardt für seine Mitarbeit, besonders bei der Erprobung und an der Vervollkommnung der Relaxometer-Apparatur.     

Aufnahme von Fließkurven zur Beurteilung der Teigeigenschaften

Zusammenfassung Für die Beurteilung der rheologischen Charakteristika von Weizen- und Roggenteigen wird die Aufnahme von Fließkurven mit einem Rotationsviskosimeter mit koaxialen Zylindern vorgenommen. Die hierbei gewonnenen Daten — u.a. Fließgrenze, Fließindex, charakteristische Viskosität, adhäsives Verhalten — werden in Beziehung zum Verarbeitungswert der untersuchten Produkte gestellt.

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Summary Flow curves have been used for the estimation of rheological properties of wheat and rye doughs. A rotational viscosimeter with coaxial cylinders was applied for this purpose. The obtained data such as yield point, flow index, characteristic viscosity and adhesive behavior have been correlated to the processing quality of the products tested.

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Veröffentl.-Nr. 4397 der Bundesforschungsanstalt für Getreide- und Kartoffelverarbeitung in Detmold.

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Mit 7 Abbildungen und 2 Tabellen     

Concentration effects in viscoelastic dispersions

Summary The linear and nonlinear behaviour of thixotropic dispersions in viscoelastic media has been measured. The systems are composed of rutile TiO₂ particles dispersed in a 85% solution of polymerized linseed oil in linseed oil. The volume concentration of the dispersed phase varies between 0 and 23.8%. Under stationary flow the equilibrium viscosities and the first normal stress differences have been recorded. The viscosity data extend from theNewtonian to the power law region. Relative properties have been calculated based upon equal shear rates and also based upon equal shear stresses.The results are discussed in the light of hydrodynamic and physicochemical interactions. A comparison is made with available data on viscoelastic suspensions. The contribution of thixotropy is isolated and its viscoelastic nature is demonstrated. Oscillatory measurements are performed on the sheared samples and the results are compared with the behaviour under stationary flow in the linear as well as in the nonlinear concentration range.

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Zusammenfassung Es wurde das lineare und nicht-lineare Verhalten thixotroper Dispersionen in viskoelastischen Medien experimentell untersucht. Die Systeme bestehen aus Rutil(TiO₂)-Teilchen, die in einer 85%igen Lösung von polymerisiertem Leinöl in (monomerem) Leinöl dispergiert sind. Die Volumenkonzentration der dispersen Phase variiert von null bis 23.8%. Bei stationären Fließbedingungen wurden die Gleichgewichts-Viskosität und die erste Normalspannungsdifferenz aufgenommen. Die Viskositätswerte erstrecken sich vomnewtonschen bis zum Potenz-Gesetz-Bereich. Es wurden relative Eigenschaften berechnet, die entweder auf gleiche Schergeschwindigkeiten oder gleiche Schubspannungen bezogen sind.Die Ergebnisse werden im Hinblick auf hydrodynamische und physikochemische Wechselwirkungen diskutiert und mit den vorliegenden Daten anderer viskoelastischer Suspensionen verglichen. Der Beitrag der Thixotropie wird abgetrennt und seine viskoelastische Natur aufgezeigt. An den gescherten Proben werden Schwingungsmessungen durchgeführt, und ihre Ergebnisse werden mit dem Verhalten bei stationären Bedingungen sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Konzentrationsbereich verglichen.

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Paper, presented at the 6. International Congress of Rheology, Lyon, Sept. 4–8, 1972. Inadvertently this paper was not published with the Congress papers.

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With 5 figures     

Rheological properties of wheat flour doughs

Summary Creep and creep recovery tests in simple tension were made on a dough of 45.8% water absorption prepared from a medium strength baking flour. Within the experimental uncertainty, the creep compliance was found to be the same at stresses from about 2 to 3.2 mbar (2000 to 3200 dynes/cm²). Values of the steady-state viscosity and the steady-state compliance derived from the creep data were in close agreement with those from the recovery data; the average values are 1.2 × 10⁸ poise and 2.7 × 10^–5 cm²/dyne. These observations show that the dough exhibited linear viscoelastic behavior. They also indicate that no structural changes are produced by stress, over the covered range, and thus that the dough does not behave like a material crosslinked by covalent bonds.

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Zusammenfassung Kriech- und Kriech-Erholungsversuche wurden durch einfache Dehnung an einem Teig mit 45,8% Wasserabsorption durchgeführt, der aus einem Backmehl mittlerer Stärke hergestellt wurde. Innerhalb der experimentellen Genauigkeit war die Kriechkomplianz bei Spannungen zwischen 2000 bis 3200 dyn/cm² gleich. Die aus den Kriechdaten ermittelten stationären Viskositätswerte und die stationäre Komplianz stimmten mit den aus den Erholungsdaten ermittelten Werten gut überein. Die mittleren Werte betragen 1,2 · 10⁸ Poise und 2,7 · 10^–5 cm²/dyn. Die Beobachtungen ergaben, daß der Teig ein linear viskoelastisches Verhalten zeigt. Ebenso zeigen sie, daß durch die Spannung im betrachteten Bereich keine Strukturänderungen hervorgerufen werden. Demnach verhält der Teig sich wie ein vernetztes Material.

     

Heat transfer in flow past a continuously moving semi-infinite flat plate in transverse magnetic field with heat flux

Thermal boundary layer on a continuously moving semi-infinite flat plate in the presence of transverse magnetic field with heat flux has been examined. Similarity solutions have been derived and the resulting equations are integrated numerically. This investigation has indicated a fall in the temperature of the thermal boundary layer with increase in magnetic field parameter.

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Wärmeübertragung in Strömungen an einer gleichmäßig bewegten, halbunendlichen ebenen Platte in einem quergerichteten Magnetfeld mit Wärmefluß

Zusammenfassung Es ist die thermische Grenzschicht auf einer gleichmäßig bewegten, halbunendlichen ebenen Platte in einem quergerichteten Magnetfeld mit Wärmefluß untersucht worden. Ähnlichkeitslösungen sind abgeleitet und die erhaltenen Gleichungen numerisch integriert worden. Diese Untersuchung hat einen Rückgang der Temperatur in der thermischen Grenzschicht mit steigendem Magnetfeldparameter nachgewiesen.