Вопросы

1. Как проявляют свое действие силы притяжения при движении жидкости? Какое явление и как это иллюстрирует?

2. Опишите причину возникновения сил вязкого трения в жидкостях.

3. Как рассчитать силу внутреннего сопротивления по формуле Ньютона?

4. Что характеризует динамическая вязкость? В чем она измеряется?

5. Что такое время «оседлой жизни» молекулы? Как оно зависит от температуры?

6. Механизм возникновения сил сопротивления при движении тел в вязкой жидкости при небольших скоростях.

7. Механизм возникновения сил сопротивления при движении тел в вязкой жидкости с образованием вихрей.

8. Закон Стокса для тел сферической формы.

9. Силы, действующие на движущйся шарик в жидкости. Формулы, их описывающие.

10. Сущность определения вязкости жидкости по методу Стокса.

11. Порядок определения динамической вязкости по методу Стокса. Расчет динамической вязкости.

12. Реометры течения Стокса.

13. Для каких материалов пригоден метод Стокса? Приведите примеры пригодных и непригодных молочных продуктов.

14. Для чего предназначены шариковые вискозиметры? Для каких материалов?

15. Схемы шариковых вискозиметров. Достоинства и недостатки.

16. Для каких материалов и почему применим вискозиметр Гепплера?

17. Устройство вискозиметра Гепплера?

18. Порядок работы на вискозиметре Гепплера. Расчет динамической вязкости.

19. Недостатки шариковых вискозиметров.

20. Порядок определения динамической вязкости молока и других жидкостей.

Лабораторная работа № 3 измерение предельного напряжения сдвига твердообразных молочных продуктов методом пенетрации

Цель работы: освоить принципы работы пенетрометров, методики измерения и расчета предельного напряжения сдвига; определить сдвиговые характеристики пищевых материалов.

Материальное обеспечение работы. Конический пластомер типа КП–3, шпатель, весы, транспортир, термостат, секундомер, образцы творога, сыров.

Теоретическая часть

Предельное напряжение сдвига чувствительно к изменению технологических (влажность, жирность, температура, продолжительность процесса и др.) и механических (степень измельчения, давление, вибрация и др.) факторов. Поэтому предельное напряжение сдвига можно использовать для оценки важной качественной характеристики продукта – консистенции. Консистенция является комплексной оценкой структуры продукта и включает в себя такие показатели, как степень плотности, твердости, нежности, упругости, пластичности, вязкости, и которой пользуются при проведении инструментальной или сенсорной оценке качества сырья и готовой продукции.

Для измерения предельного напряжения сдвига наиболее перспективными являются приборы, принцип которых основан на методе внедрения тела определенной формы и размера в исследуемый продукт.

Пенетрацией называется метод измерения структурно-механических характеристик полутвердых и твердых продуктов путем определения сопротивления продуктов проникновению в них за определенное время инденторов (конус, шар, игла, цилиндр) имеющих строго определенные размер, массу и материал.

Приборы, работающие по такому принципу называются пенетрометрами. По измеряемым и фиксируемым величинам они подразделяются на три группы:

• с постоянным усилием пенетрации F (при этом определяется глубина пенетрации h);

• с постоянной глубиной погружения h (измеряется усилие F);

• с постоянной скоростью погружения (регистрируется усилие в зависимости от глубины погружений).

Для определения предельного напряжения сдвига наряду с другими реологическими приборами широко применяются конические пластометры. Они позволяют определять консистенцию образцов по величине предельного напряжения сдвига путем измерения степени пенетрации.

Идея конических пластометров заключается в том, что по величине глубины погружения конуса в материал под воздействием вертикальной силы можно определить предельное напряжение сдвига материала (рис. 1).

Рис. 1. Схема внедрения конуса

Согласно теории конических пластометров, разработанной академиком П.А. Ребиндером, процесс погружения конуса в продукт представляет собой следующее.

За начальное граничное условие принята точка касания вершины конуса с поверхностью продукта. При этом его движение во время испытаний должно быть строго вертикальным. Кинетика погружения конуса характеризуется кривой, представленной на рис. 2. В момент начала погружения конуса в продукт напряжение бесконечно велико (площадь касания равна нулю), его скорость равна нулю, а ускорение ( ) соответствует ускорению силы тяжести. Поскольку сила, действующая на конус (равна массе подвижных частей системы), за все время погружения остается постоянной, а площадь соприкосновения конуса с продуктом увеличивается, то напряжение сдвига в системе конус-продукт уменьшается.

При остановке конуса ( =0) погружение будет предельным, и внешняя сила уравновешивается пластической прочностью структуры. Для этого случая отсчитывается предельное напряжение сдвига (отношение силы у «смоченной» части боковой поверхности конуса, рис.2,б) или предельное давление (отношение силы к горизонтальной площади сечения конуса, которое проходит по поверхности продукта, рис.2,в).

Если снять полную кривую течения (рис. 2,а), то можно вычислить изменения эффективной вязкости. Однако прибор для этих целей обычно не используют.

а б в

Рис. 2. Реограмма и схемы для расчета: а - зависимость скорости движения конуса от напряжения сдвига; б - схема для расчета предельного напряжения сдвига, в - схема для расчета предельного давления.

При определении предельного напряжения сдвига предполагается, что продукт течет вдоль образующей поверхности конуса (рис. 2, б). Условия равновесия сил на поверхности конуса получим, проектируя на образующую конуса движущую силу Р и приравнивая ее силе сопротивления Р’:

(1)

Предельное напряжение сдвига τ₀, Па, представляет собой отношение силы сопротивления Р’ вдоль боковой поверхности конуса к площади F этой поверхности:

= = , (2)

где К_α - константа конуса,

- угол при вершине конуса, град;

m - масса конуса, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - глубина погружения конуса в продукт, м.

Т.о., формула П.А. Ребиндера для определения предельного напряжения сдвига имеет вид:

, (3)

где К_α – геометрическая константа конуса, зависящая от угла α при его вершине;

F – величина вертикальной внедряющей силы, Н;

h – глубина погружения конуса, м.

Константа конуса рассчитывается по формуле Ребиндера:

. (4)

Следует отметить, что расчет τ₀ с использованием коэффициента К_α из формулы (2) не всегда дает одинаковые результаты при применении конусов с различными углами 2α при их вершине, т.е. результаты измерений не инвариантны по отношению к геометрии конусов.

Другими учеными (Н. Н. Агранат, М. Ф. Широков, В. А. Арет, А. Н. Пирогов, А. В. Горбатов, В. Д. Косой, В. Д. Карпычев) предложены другие формулы для К_α и поправочные коэффициенты к ним, которые в определенной степени позволяют уменьшить влияние угла 2α при вершине конуса.

Рис. 2. Конический пластометр КП-3

Одним из первых приборов этой группы является конический пластометр М.П.Воларовича КП–3, схема которого представлена на рис. 2. Прибор состоит из основания 2 с установочными винтами 1, литой П-образной станины 3, винта подъема столика 4, стопорного винта, микрометрической гайки, подъемного столика 5, емкости для продукта 6, конуса 7, штанги 8, обоймы с подшипниками 9, индикатора пружинного типа 10, направляющих роликов 11, установочных поперечных пластин 12, стопорного устройства 13 и кнопки «пуск» 14.

Исследуемая масса помещается в емкость 6 на подъемный столик, вершина конуса 7 приводится в соприкосновение с поверхностью массы. Конус нагружается гирями, и с помощью индикатора 10 определяется глубина погружения конуса до полной его остановки.

Разработан целый ряд пластометров типа ПП-1, ПП-2, ПП-3, ПП-3М для исследования структурно-механических свойств вязко-пластичных материалов, в которых используется конический индентор. Приборы обладают достаточно высокой точностью измерений, компактны, надежны в работе и просты в обслуживании, имеют небольшую массу.

У существующих конструкций пластометров имеется ряд общих недостатков, присущих, как всем приборам в общем, так и некоторым приборам в отдельности. К этим недостаткам можно отнести следующее: недостаточная точность измерений структурно-механических свойств продуктов вследствие ручной подачи индентора к поверхности материала, нагружение с помощью гирь и погрешности в определении глубины погружения конуса.

При дальнейшем усовершенствовании конструкций пластометров перешли к способу нагружения конуса механическим способом, что облегчило проведение исследований. Глубину погружения предложено было определять с помощью датчиков индуктивности, тензодатчиков и т.п.

Используемые для измерения конусы бывают гладкими, но применение рифленых конусов значительно уменьшает разброс экспериментальных данных.

Это повысило точность определения структурно-механических характеристик, но при этом диапазон измерений у всех конструкций остается довольно-таки узким, что не отвечает современным требования для проведения полномасштабного контроля пищевых продуктов.