Реологические характеристики различных видов тел

№ п/п	Предельное напряжение сдвига	Индекс течения	Вязкость	Название тела
	>0 >0	<1 >1	>0 >0 >0 >0 >0	Упругое Пластичное Пластично-вязкое Псевдопластичное Дилатантное Истинно-вязкое Идеальная жидкость

Примечание: Если псевдопластичное и дилатантное тела имеют предельное напряжение сдвига, то на рис. 1.3 по оси ординат следует откладывать значения новой переменной, равной (θ – θ₀)

 

Системы, перечисленные в табл. 1.5 не меняют своих свойств во времени.

Выделяют еще группу систем с переменными во времени свойствами: тиксотропные - эффективная вязкость и напряжение сдвига уменьшаются во время сдвига, и реопексные, у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость увеличиваются со временем в случае воздействия на систему касательных напряжений при постоянном градиенте скорости.

Материалы, состояние течения которых во времени является противоположным тому, какое дают тиксотропные системы, называют антитиксотропными. При расчете технологических процессов тиксотропные свойства перерабатываемых пищевых сред учитывают в момент пуска оборудования после продолжительного выстоя, а реопексные – после интенсивного сдвига.

Кривые течения названных выше «степенных» жидкостей в равномерных шкалах (рис. 1.11, а) спрямляются в логарифмических (рис. 1.11, б). Исключение составляет кривая течения Бингамова тела, которая выходит в прямую при высоких напряжениях (градиентах скорости), значительно превышающих предельное напряжение сдвига. Показатель степени – индекс течения – в уравнении 1.37 определяется выражением:

 

n = (d lg θ) / (d lg γ^*), (1.40)

 

Если эффективную вязкость вычислить по уравнению Ньютона 1.16, а для определенных напряжений и градиентов скорости, то темп разрушения структуры по уравнению 1.39, а характеризующий угол наклона линии эффективной вязкости на рис. 1.11, в, будет вычисляться по зависимости:

 

m₁ = = = - 1 = n – 1, (1.41)

 

Для псевдопластичных систем 0<n<1, следовательно, -1<m₁<0. Для удобства преобразований, как принято выше (формулы 1.38 и 1.39), обозначим m = - m₁. Таким образом, изменение эффективной вязкости в зависимости от скорости деформации в логарифмических шкалах изображается прямой линией, угол наклона которой определяется темпом разрушения структуры.

При рассмотрении графиков б и в рис. 1.11 следует учитывать, что в логарифмических шкалах нулевые значения величин лежат в бесконечности вниз и влево относительно нанесенных осей ординат. Логарифмы числовых значений величин равны нулю, когда сами величины равны единице. Поэтому на графиках рис. 1.11, б и 1.11, в кривые течения упругого тела и идеальной жидкости 1 и 7 не показаны.

П.А. Ребиндер и Н.В. Михайлов делят реологические тела на две основные группы: жидкообразные и твердообразные (рис. 1.12) с постепенным переходом между ними в зависимости от характера кривой η_эф(θ) и периода релаксации (см. формулу 1.24). Если истинно вязкие жидкости характеризуются постоянным значением вязкости, то структурированные жидкости определяются зависимостью эффективной вязкости от действующего напряжения и двумя областями напряжений с постоянным значением вязкости: наибольшей предельной вязкостью η₀ практически неразрушенной структуры и наименьшей вязкостью η_m предельно разрушенной структуры, где η_m остается постоянной. Твердообразность тела выражается тем резче, чем значительнее разность между η₀ и η_m. Переходными между η₀ и η_m являются значения эффективной переменной вязкости, убывающей с ростом напряжения (или скорости сдвига).

Истинно пластические тела характеризуются наличием истинного предела текучести, совпадающего с пределом упругости, т.е. таким предельным напряжением сдвига, ниже которого экспериментально никакого течения не обнаруживается.

К жидкообразным телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига, т.е. θ_{0 ст} = 0 (рис. 1.12, в).

 

в г

Рис. 1.12 Зависимость скорости сдвига и вязкости от напряжения для жидкообразных (в) и твердообразных (г) систем:

а - зависимость градиента скорости от напряжения сдвига; б - зависимость логарифма эффективной вязкости от напряжения сдвига; О-1– зона упругих деформаций; 1-2 – зона начала течения с наибольшей эффективной и пластической вязкостью; 2-3 – начало зоны лавинного разрушения структуры; 3-4 – зона лавинного разрушения структуры (течение с наименьшей пластической вязкостью); 5 и выше – зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью предельно разрушенной структуры

К твердообразным относятся упруго-пластичные, условно-пластичные, упруго-хрупкие и эластично-хрупкие, которые отличаются от истинно пластичных отсутствием истинно упругой области, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига η_эф = f(θ) считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. (рис. 1.12, г).

В общем виде кривая течения γ^*(θ) упруго-пластично-вязкого тела (рис. 1.12) имеет S -образный характер и отсекает на оси абсцисс отрезок, в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают только упругие или эластические деформации. Это характерно для твердообразных систем. Если зоны упругих деформаций не наблюдается, то системы относят к жидкообразным, т.е. к необладающим упругостью формы.

Эффективная вязкость, как видно из рис. 1.12, может меняться от величины наибольшей вязкости неразрушенной структуры (η₀) до величины наименьшей вязкости предельно разрушенной структуры (η_m). Эти изменения описываются степенью разрушения структуры , которая показывает, какая часть структурной сетки от первоначального состояния разрушилась при данном напряжении сдвига. Для вычисления этой величины П.А. Ребиндер предлагает следующую зависимость:

 

(1.42)

 

По изображенным кривым течения можно вычислить важнейшие сдвиговые свойства реальных тел.

Важнейшими сдвиговыми свойствами структурированных твердообразных систем являются пластическая и эффективная вязкость η_эф(θ) и период релаксации τ_р(θ), как функции напряжения сдвига (θ); наибольшая вязкость (η₀) неразрушенной структуры при «скольжении» мест контакта и вязкость предельно разрушенной структуры (η_m); модули упругости сдвига (G); пределы текучести условно-статический (θ_ст) и динамический – предельное напряжение сдвига (θ₀); прочность структуры при упруго-хрупком или эластичном разрыве (θ_m) и при пластично-вязком разрушении (θ _r). Жидкообразные системы имеют аналогичные свойства. Эти характеристики показаны на рис. 1.12. В ряде случаев при исследовании и расчете конкретных явлений оказывается возможным игнорировать одни существенные свойства тел и, напротив, учитывать другие.

Важное значение для характеристики дисперсных систем имеют модули упругости и периоды релаксации. Условно мгновенный модуль упругости представляет собой отношение напряжения к мгновенно-упругой составляющей деформации сдвига γ₀; эластичный модуль – отношение напряжения к упругой (эластической) деформации за вычетом мгновенно-упругой γ_m - γ₀; равновесный модуль вычисляют как отношение напряжения к общей деформации γ_m, когда нельзя разграничить упругую и эластическую деформацию.

Периоды релаксации могут быть определены и для случая осевого или объемного деформирования продукта, для этого могут быть использованы уравнение 1.28, а также названные выше. Релаксационные характеристики и модуль упругости при объемном и осевом растяжении – сжатии нередко описываются в различных комбинациях теми же уравнениями и моделями, которые используют для изучения сдвиговых свойств (см. рис. 1.12). В связи с этим компрессионные характеристики в этом разделе специально не рассмотрены.

При обработке экспериментальных данных часто не удается всю кривую течения описать одним уравнением, тогда реологические характеристики вычисляют для определенных интервалов напряжений или деформаций. В тех случаях, когда опытная кривая не «спрямляется», ее либо разбивают на участки (см. рис. 1.12, а, участки 1-2 и 3-4), либо аппроксимируют одной линией.

Для вычисления значений величин структурно-механических характеристик при сдвиговых и нормальных деформациях по экспериментальным данным строят основные реологические зависимости: деформация – время; напряжение – деформация; градиент скорости – напряжение (рис. 1.11, а и 1.12, а) и др.

Существенный интерес для реологии представляют продукты, характеристики течения которых зависят от длительности воздействия напряжения: тиксотропные и реопексные (рис. 1.13). По своему поведению они взаимно противоположны, так же как взаимно противоположны псевдопластичные и дилатантные.

Рис. 1.13 Реологические кривые течения , характеризующие:

а – зависимость напряжения сдвига и эффективной вязкости от длительности действия напряжения при постоянном градиенте скорости для систем: 1 – тиксотропные; 2 – реопексные; б – реограммы тиксотропных систем: 1 – при нагрузке; 1^| – при разгрузке; в – реограммы реопексных систем: 2 – при нагрузке; 2^| – при разгрузке

 

У псевдопластичных и дилатантных систем изменение эффективной вязкости с увеличением градиента скорости происходит достаточно быстро и влияние продолжительности деформирования на вязкость не может быть обнаружено при обычных измерениях. Уменьшение эффективной вязкости псевдопластичных систем обусловлено в основном разрушением структурной сетки агрегатов частиц и ориентацией частиц вдоль вектора скорости. Увеличение эффективной вязкости дилатантных систем обусловлено их «расширением» (набуханием частиц), что вызывает уменьшение толщины прослоек дисперсионной среды и увеличение силы сопротивления.

При проектировании оборудования для переработки и транспортирования пищевых масс необходимо как можно более полно знать реологические свойства, в том числе тиксотропные. В настоящее время известно несколько методов исследования тиксотропных свойств дисперсных систем. По методу Грин-Вельтмана вычисляется пластическая вязкость до и после разрушения структуры. Их соотношение и является характеристикой структурообразовательных процессов. Метод Павловского основан на измерении изменения вязкости при постоянной скорости вращения ротора вискозиметра. Этим методом определяется только часть тиксотропных свойств. Метод Дохерти-Харда основан на измерениях при минимальной и максимальной скоростях, причем принято, что структура материала в первом случае не разрушена, а во втором полностью разрушена. Время покоя увеличивается от измерения к измерению, и максимальное напряжение вычисляется как функция времени покоя. Метод предельной скорости по Остерлею основан на том, что может наступить состояние равновесия между механическими силами разрушения и специфическими силами восстановления структуры. При измерении полностью разрушают структуру исследуемого вещества и оставляют его в покое до тех пор, пока не восстановится структура. Затем ступенями повышают скорость до такого значения, при котором разрушение и восстановление структуры достигают равновесия.

Одним из наиболее точных методов исследования процессов структурообразования и тиксотропных явлений, по мнению А.И. Рабинерсона, является метод ротационной вискозиметрии. Для изучения природы тиксотропных изменений необходимо иметь данные, характеризующие свойства вещества в двух состояниях: до разрушения и после него. Прейс-Джонс также утверждал, что тиксотропия не может быть определена по одной кривой течения. Отсюда следует, что необходимо наличие двух кривых: одна кривая должна быть получена при постепенном возрастании скорости сдвига, другая – при уменьшении скорости после разрушения структуры. Этот метод был назван методом «петель гистерезиса»

Тиксотропным системам присущи восстановление структуры после разрушения и непрерывное ее разрушение (до определенного предела) при деформировании (рис. 1.13, а, б). Реопексные системы способны структурироваться, т.е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости (рис. 1.13, а, в). По сравнению с тиксотропными они встречаются редко. Если за основу принять график на рис. 1.13, а, характерный для тиксотропных и реопексных систем, то эти два свойства могут проявляться у псевдопластичных и дилатантных систем. Тогда соответственно на рис. 1.13, б, в направления всех стрелок меняются на обратные.

Наглядное представление о виде течения продуктов дают точки одинаковой конфигурации, нанесенные на рис. 1.13, а, б, в. При этом следует иметь в виду, что кривые на рис. 1.13, а, построены для постоянного значения градиента скорости, который на рис. 1.13, б, в выражается горизонтальным отрезком между кривыми 1- 1^| и 2 – 2^|.

Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса при нагрузке и разгрузке (рис. 1.13). Материал начинает течь, когда напряжение достигает величины предельного или условно-предельного. В дальнейшем, с увеличением напряжения, повышается градиент скорости и разрушается структурная сетка, разрушаются агрегаты и ориентируются частицы.

Каждому значению градиента скорости соответствует определенное равновесное состояние системы, которое достигается при медленных изменениях градиента скорости. В действительности опыт протекает быстро, возможны местные накопления деформаций или напряжений, которые не успевают релаксировать при переходе к следующему измерению, когда накладываются новые напряжения. Неоднократное прохождение зоны исследуемых напряжений в прямом и обратном направлениях позволяет добиться равновесного состояния продукта, при котором петли гистерезиса практически исчезают. Для тиксотропных псевдопластичных систем каждая последующая кривая располагается левее и выше предыдущей (рис. 1.13, б), в пространственной системе координат η_ЭФ (τ,θ) все экспериментальные точки образуют криволинейную поверхность.

Площадь реограммы (рис. 1.13, а и 1.13, б) между кривой γ^*(θ) и осью ординат представляет собой (в соответствующем масщтабе) удельную мощность (на единицу объема в Вт/м³). Она складывется из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при том же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса (рис. 1.13, б), характеризует степень приближения системы к равновесному состоянию.

Компрессионные свойства проявляются при всестороннем или осевом сжатии продукта в замкнутом объеме. Используются компрессионные свойства для расчета рабочих органов машин и аппаратов и для оценки качества продукта, например при растяжении-сжатии. К ним относятся коэффициент бокового давления, коэффициент Пуассона, модули упругости и др. (формулы 1.4-1.18). Кроме того, ряд приведенных выше моделей – Максвелла, Кельвина и др. (формулы 1.22-1.28) – могут описывать поведение продуктов при осевом или объемном деформировании.

В ряде машин (волчки, дозаторы, поршневые шприцы, трубопроводы) используемый материал находится при повышенных давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. Эти явления можно рассчитать, основываясь на объемных свойствах и кинетике их изменения. Для исследования их пользуются цилиндром с одним или двумя плотно входящими в него поршнями.

Плотность, как одно из компрессионных свойств, является существенной характеристикой при расчете ряда машин и аппаратов и при оценке качества продукта. Среднюю плотность ρ (в кг/м³) для сравнительно небольшого объема определяют из соотношения:

 

ρ = М / V, (1.43)

 

где М – масса продукта, кг; V – объем продукта, м³.

Удельный вес определяется из соотношения:

 

γ = Р/V,(1.43, а)

 

где Р – сила земного притяжения, н.

Истинная плотность равна пределу отношения массы к объему, когда последний стремится к нулю.

Между плотностью и удельным весом γ (в Н/м³) существует простая зависимость:

 

γ = ρg, (1.43, б)

 

Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объем смеси, можно вычислить по зависимости:

 

ρ = ρ_i или ρ = 1 / (с_i/ρ_i),(1.43, в)

 

где с_i – концентрация одного из компонентов в смеси, кг на 1 кг смеси; ρ_i – плотность компонента, кг/м³; i – число компонентов.

Поверхностные свойства занимают особое место среди структурно-механических свойств (адгезия, липкость, коэффициент трения). Они характеризуют усилие взаимодействия между поверхностями конструкционного материала и продуктом при нормальном отрыве или сдвиге (уравнение 1.15). При этом для большинства продуктов пищевой промышленности липкость (адгезия) обусловливает величину усилия внешнего трения (уравнение 1.15, а). Под липкостью понимается свойство продукта образовывать связи с твердой поверхностью. Эти связи имеют молекулярный характер, следовательно, их количество зависит от площади действительного молекулярного контакта, которая в свою очередь определяется пластичностью (вязкостью) продукта, продолжительностью контактирования, давлением прижатия, толщиной слоя и т.д.

В процессе технологической обработки пищевые материалы находятся в контакте с поверхностями различных рабочих органов машин, транспортирующих устройств и т.п. Характер течения массы по каналам формующих машин разных типов (шнековых, валковых, шестеренных), а также по трубопроводам определяется как ее структурно-механическими свойствами, так и силами сцепления с поверхностями контакта.

Отрыв материала от поверхности может носить адгезионный или когезионный характер. В первом случае разрыв происходит между материалом и поверхностью, во втором – по материалу. Возможен и третий – промежуточный или смешанный (адгезионно-когезионный) вид отрыва, когда поверхность отрыва имеет участки, покрытые и непокрытые материалом. При смешанном виде отрыва, как и при когезионном, измерить силы адгезии в чистом виде также не удается. Однако именно при когезионном и смешанном виде отрыва силы адгезии могут иметь значительную величину, влиять на процесс обработки материала. В этих случах, поскольку не удается определить чисто адгезионные силы, правильнее будет называть их силами прилипании или липкостью материала.

Адгезия зависит от ряда технологических характеристик: влажности, состава продукта, степени измельчения и т.д.

Свойством липкости в значительной степени обладают многие пищевые продукты (сливочное масло, сыр, вареная колбаса и др.). Излишняя липкость нарушает эксплуатацию механизированных процессов и поточных линий, так как при обработке (делении, формовании) сырье, полуфабрикаты или массы прилипают к рабочим частям машин и транспортных механизмов. При разрезании или разжевывании готовых продуктов (сыра и других) они прилипают к лезвию ножа, крошатся или ломаются, липнут к зубам и небу.

Однако и недостаточная липкость в ряде случаев отрицательно сказывается на такие процессы обработки сырья и полуфабрикатов, как их перемешивание, формование, выжимание и др.

Для объяснения адгезии существует несколько теорий: адсорбционная, электрическая, электромагнитная, диффузионная, термодинамическая и др. Наиболее часто адгезионные явления объясняют диффузионной и электрической теориями.

Наиболее простым и широко применяемым способом изменения реологических свойств объема и поверхности продуктов является регулирование концентрации сухого вещества (соотношение сухого вещества и влаги или жидких жиров в их структуре).

Для гидрофильных структур большое значение имеет содержание в них водорастворимых полимеров и сахаров. Для жидкообразных структур увеличение до известных пределов содержания сухого вещества повышает давление прилипания. Чрезмерная концентрация и вязкость, пониженная эластичность структуры понижают липкость.

Структурно-механические свойства объема и зависящие от них свойства липкости пищевых продуктов, как показано выше, могут быть изменены путем физических (механических, тепловых, электрических) воздействий на их структуру. Энергичное размешивание или перетирание продуктов, имеющих значительную вязкость и упругость, приводит к разрушению структуры – понижению вязкости и увеличению липкости. Однако последующая выдержка такой структуры обычно сопровождается более или менее быстрым восстановлением ее с соответствующими изменениями вязкости и липкости. Обработка продуктов, содержащих белки и крахмал, теплом сопровождается обычно резкими изменениями упругости и вязкости пищевых продуктов и их липкости.

Установлена возможность предотвращения прилипания теста, сычужного сгустка белка к стенкам сырного котла из нержавеющей стали вследствие пропускания через обезжиренное молоко электрического тока. Следует полагать, что снижение липкости сгустка в данном случае имело место за счет коагуляции белков зерна молока.

В тех случаях, когда не представляется возможным изменить структурно-механические свойства объема структуры пищевых продуктов в целях увеличения или снижения свойств их липкости, следует изменить структуру поверхностного слоя или материала контактируемой поверхности. Наиболее часто используемый на практике метод изменения структурно- механических свойств поверхности продукта – его осушение (для снижения прилипания) или увлажнение (для его увеличения).

В ряде случаев для двух- или многофазных систем установить границу разрушения затруднительно. Поверхность пластины после отрыва может быть смочена дисперсионной средой, либо на поверхности может находиться тончайшая пленка тонкодисперсной фракции исследуемого продукта.

Для практических целей достаточно описать общие макроскопические закономерности явления. Для этого можно провести расчеты на заранее выбранной модели, которая представляет собой образец «сложной жидкости» между двумя жесткими цилиндрическими пластинами; она обладает одинаковой с продуктом адгезией. Математически процесс отрыва пластины от продукта описывается следующим уравнением, если ρ₀ (в Па) представляет собой адгезию (липкость):

 

1/ρ₀ = h/2 _с, (1.44)

 

где h – толщина слоя продукта между пластинами, м; - коэффициент, аналогичный коэффициенту поверхностного натяжения, Н/м; С – коэффициент пропорциональности, зависящий от состава продукта, активности контактирующих групп, размера частиц; характеризует темп убывания площади контакта, м²/с; _с – скорость увеличения силы отрыва, Н/с, которая представляет собой отношение текущего значения силы к времени ее действия.

Уравнение 1.44 линейно и хорошо описывает адгезионное взаимодействие достаточно концентрированных дисперсных систем, дисперсионная среда которых состоит из водных прослоек (в прослойках могут быть растворены белки, соли и т.п.).

Изложенные результаты исследований липкости пищевых продуктов свидетельствуют о целесообразности изучения и управления свойствами прилипания в соответствии с результатами современных исследований в области адгезии высокомолекулярных соединений для оценки качества готового продукта.

Липкость определяет величину внешнего трения продукта.

Многие экспериментальные работы, проведенные в этой области, подтвердили применимость двучленного уравнения Б.В.Дерягина для вычисления силы трения:

 

Р_ТР = μ (Р_К + ρ₀ F₀), (1.45)

 

где μ - истинный коэффициент внешнего трения; Р_К – сила, нормальная поверхности сдвига (усилие контакта).

Трение может быть статическим – до начала смещения и динамическим – при движении продукта по поверхности.

На внешнее трение влияют те же факторы, что и на липкость. Следовательно, статическое трение должно быть больше динамического.

Большинство исследователей считает, что сила трения состоит из двух составляющих – адгезионной и деформационной. Д. Мур считает, что «адгезионная составляющая обусловлена поверхностными эффектами на глубине, не превышающей молекулярных размеров», а «деформационная составляющая определяется объемными свойствами материала».

Предложено общую силу трения определять по уравнению:

 

Р = Р_А + Р_Д + Р_К + Р_В, (1.46)

 

где Р_А и Р_Д – соответственно адгезионная и деформационная составляющие силы трения, Н; Р_К – когезионная составляющая, учитывающая влияние износа на объемные потери, Н; Р_В – составляющая, учитывающая вязкостное торможение при наличии смазки, Н.

Определить силу трения по уравнению 1.46, как отмечает Д. Мур, «можно тогда, когда есть уверенность, что все возможные эффекты, влияющие на силу трения, учтены и все составляющие силы трения четко разделены».

Для теоретического обоснования внешнего трения предложены молекулярно-кинетическая, механическая, физическая и другие теории, аналогичные теориям, объясняющим адгезию.

В реологии для описания свойств реальных пищевых масс широко распространен метод механических моделей. Например, для получения наглядной картины поведения материла пол действием напряжений каждое его свойство (упругость, пластичность и др.) заменяют механическим элементом (пружиной, парой трения скольжения и т.д.). В реологии также широко используют геометрическое, математическое, физическое и другое моделирование. Физическое моделирование эффективно для получения качественных и количественных соответствий натурным объектам.

Практическое применение реологических исследований связано, во-первых, с возможностью сопоставлять различные материалы по форме реологических уравнений состояния и значениям входящих в них констант; во-вторых, с использованием реологических уравнений состояния для решения технических задач механики сплошных сред. Первое направление используется для стандартизации технологических материалов, контроля и регулирования технологических процессов практически во всех областях современной техники. В рамках второго направления рассматривают прикладные гидродинамические задачи – транспортировка неньютоновских жидкостей по трубопроводам, течение полимеров, пищевых продуктов в перерабатывающем оборудовании и т.д.

Для моделирования свойств мясных фаршей для вареных колбас рекомендуется механическая модель Шведова-Бингама (рис. 1.8). Так, например, при моделирования поведения двух и более приготовленных образцов фаршей, отличающихся хотя бы одним показателем, например вязкостью, наглядно видно, что при приложении нагрузки одной и той же величины, более существенной деформации подвергнется образец, имеющий наименьшую вязкость. А в случае, например, полной потери пластичности материал переходит в состояние вязкого материала, не способного удерживать свою форму, т.е. будет просто растекаться. С помощью данной модели можно исследовать поведение мясных фаршей например, при добавлении воды, различных добавок или оценить механическое воздействие на структуру продукта и т.д.

Для описания поведения цельной мышечной ткани мяса может применяться механическая модель Максвелла. Для описания других материалов могут применяться другие механические модели, рассмотренные выше.

Как показывает практика, применение механических моделей для описания поведения материалов с двумя элементами дают недостаточно точные результаты, которые могут значительно отличаться от результатов, полученных с помощью экспериментальных кривых реограмм. Поэтому с целью повышения точности предлагаются модели, состоящие из трех или четырех элементов простых моделей.

Так, например, для описания поведения материалов, обладающих одновременно упруго-пластично-вязкими свойствами, предлагается механическая модель, состоящая из двух упругих тел, пластичного и вязкого, которая представлена на рис. 1.14 а.

а б

Рис. 1.14 Механические модели реальных пищевых материалов:

а) - механическая модель продуктов типа мясных фаршей, б) – механическая модель неразрушенной мышечной ткани мяса: 1 - линейно-упругий элемент; 2 - нелинейно-упругий элемент; 3 - вязкий элемент;

4 - элемент, фиксирующий определенное значение деформации.

Данная модель более точно описывает поведение материалов типа мясные фарши, тесто и др., которые обладают одновременно тремя свойствами - упругими, пластичными и вязкими.

Для более точного описания поведения неразрушенной мышечной ткани мяса предлагается механическая модель, представленная на рис. 1.14 б.

Структура неразрушенной мышечной ткани мяса, сложная по своему строению, представлена в виде мышечных волокон, связанных пространственной соединительной пленкой. Все промежутки структуры заполнены тканевой жидкостью: слабо и сильносвязанной влагой. По характеру и прочности связи между частицами мышечную ткань можно отнести частично к конденсационно-кристаллизационным структурам. Подобные структуры обладают рядом свойств твердых тел, но в то же время эластичны, пластичны и т.д., что необходимо учитывать при выборе наиболее целесообразных способов и режимов технологической обработки.

Общая деформация механической модели складывается из нелинейно-упругой с модулем упругости (последовательно включенный элемент (2), эластичной с модулем упругости и вязкостью ₁ (параллельно соединенные элементы (1) и (3)) и пластической с нелинейным модулем упругости , вязкостью и фиксатором (последовательно соединенные элементы (2), (3) и параллельно с ними фиксатор - элемент (4).

Данная механическая модель позволяет моделировать деформационные изменения мяса при осевом сжатии. Модель описывается нелинейным дифференциальным реологическим уравнением второго порядка.

Кроме рассмотренных механических моделей, предлагаются и другие для конкретных материалов, познакомиться с которыми можно в специальной литературе.

Н.К. Гупта и К.Д. Чойшнер предложили описывать деформацию свежего хлеба при резании реологической моделью Шоффильда - Скотт-Блера с элементом, отражающим потерю прочности хлеба при срезе (рис. 1.15).

При резании хлеба давление через нож передается хлебу, который вначале испытывает мгновенную эластическую (G1) и замедленную вязко-упругую (G2, μ2) деформации, затем при напряжении, превышающем предел текучести (τт), материал пластически деформируется (τт, μ1). При напряжении, равном пределу прочности при срезе (τB), происходит разделение материала (резание).

Рис 1.15 Модель Шоффильда - Скотт-Блера

 

Реологическое уравнение этой модели имеет вид

Резание хлеба начинается при τ>τB. Для создания небольшой пластической деформации хлеба необходимо, чтобы время приложения нагрузки (резания) было как можно меньше, т.е. скорость деформации должна быть такой, чтобы было быстро достигнуто предельное напряжение на срез, а пластическая деформация была бы незначительной.

Модель пшеничного теста при растяжении имеет более сложный вид (рис 1.16).

Рис 1.16 Модель пшеничного теста при растяжении