6 Тіндердің механикалық үлгілерін зерттеу

Құралдар және жабдықтар:

персоналды компьютер.

Жұмыстың мақсаты: қожыраудың әр түрлі режимдерінде маталардың әр түрлі модельдерінің құлығын зерттеу.

Тағамдық өнімдер мен биоматериалдардың механикалық қасиеттерін зерттеуге үлкен назар аударады. Маталардың құрылымы мен олардың механикалық қасиеттерінің өзара әрекеттесуін зерттеуғ жүктеменің әр түрлі режимдерінде олардың құлығының ерекшеліктерін зерттеу нақты міндеттерді шешуге мүмкіндік береді: жаңа тағамдық өнімдер мен биоматериалдарды құрастыру; олардың механикалық параметрлерін бағалау және т.б.

Қатты денелердің механикалық қасиеттері қожыраулар кезінде анықталады. Жоғарыда келтірілген (5 жұмысты қара) серпімді және иілгіш қожыраулардан басқа қожыраулардың басқа түрлерін ажыратады.

Серпімді иілгіш сыртқы күштің әсер етуі тоқталғаннан кейін бөлшекті сақталынатын қожырау аталады.

Тұтқырлы серпімді тұрақты күш әсер еткенде уақыт өте келе маңызды шамаға жететін, ал жүктеме алынғаннан кейін толық жоғалатын немесе бөлшекті жоғалатын қожырау. Қожыраудың бұл түрі полимерлер үшін сипатты және олардың молекулаларының құрылысымен негізделген. Тұтқырлы серпімді обьекттер үшін жорғалаушылық және кернеуді релаксациялау құбылыстары сипатты.

Жорғалаушылық – тұрақты кернеу кезінде уақыт өте келе обьекттің салыстырмалы қожырауыгың өзгеру құбылысы: ε = f(τ) при σ = const. Жорғалаушылық кезінде полимерлерде өтетін үрдістер тұтқырлы сұйықтың ағысына сәйкес келеді. Жорғалаушылықты зерттеуді деформацияның изотоникалық режимінде жүргізеді: обьектте тұрақты механикалық кернеуді тудырады σ = const (тұрақты күшпен әсер етеді) және тәуелділікті зерттейді е = f(τ).

Кернеудің релаксациясы – салыстырмалы қожыраудың тұрақты шамасында уақыт өте келе механикалық кернеудің төмендеуі: σ = f(τ) при ε = const.

Кернеудің релаксациялауды зерттеуді қожырауда изометриялық режимде жүргізеді: обьектте сатылы созылуды тудырады және оны тұрақты сақтай отырып (ε = const), тәуелділікті зерттейді σ = f(τ).

Кез-келген материалдың механикалық қасиеттерін зерттеген кезде алдымен механикалық кернеудің σ салыстырмалы қожыраудан тәуелділігін зерттейді ε: σ = f(ε) және кернеудің уақыттық тәуелділіктерін σ = f(τ) және салыстырмалы қожырауды зерттейді ε = f(τ).

Бұлшық еттер, сіңір, сүйек талышығы, қан тамырлары сияқты биологиялық талышқтар тұтқырлы серпімді жүйелер болып келеді. Сыртқы күштің әсерімен анықталатын олардың пассивті механикалық қасиеттері, серпімдә және тұтқырлы элементтерді үйлестіріп моделдеу ыңғайлы.

Серпімді элемент үлгісі – идеалды серпімді серіппе (сурет 6.1, а), онда қожырау үрдісі бір сәтте өтеді және Гук заңына бағынады (5 жұмысты қара).

(6.1)

мұнда Е – серпімділік модулі.

Сурет 6.1

6.1 б суретте тәуелділік графигі салынған ; ал 6.1, в және г суреттерінде – тәуелділік графиктері изотоникалық және изометриялық режимдерде.

Тұтқырлы элемент үлгісі – тұтқырлы сұйықпен цилиндрде қозғалатын тесіктері бар поршень (сурет 6.2, а). поршень қозғалған кезде сұйық тесік арқылы ағады және поршень қозғалысының жылдамдығына пропорционал өсетін қарсылық тудырады. Тұтқырлы элементтік салыстырмалы қожырауы сыртқы күштің әсерінің уақытына τ пропорционалды және сұйықтың тұтқырлығына η байланысты

(6.2)

Сурет 6.2

6.2, б, в суретінде тәуелділік графиктері көрсетілген және изотоникалық режимде. Изометриялық режимде тұтқырлы элементтің реформациясын зерттеу мүмкін емес, өйткені салыстырмалы қожырауды сатылы өзгерту мүмкін емес (поршеньді бір сәтте ұзарту).

Денелердің тұтқырлы серпімді қасиеттері серпімді және тұтқырлы элементтердің үлгілерінің әр түрлі комбинацияларынан тұратын жүйелермен моделделінеді.

Кельвин-Фойгттің үлгісі – серпімді және тұтқырлы элементтерді параллельді қосу (сурет 6.3, а). Тұрақты әсер ететін күште осы үлгінің салыстырмалы қожырауы уақыт өте келе өседі. Жүктемені алғаннан кейін қожырау экспоненциалды жоғалады,және бірнеше уақыттан кейін жүйе бастапқы қалпына келеді (ε = 0) (6.3, б суретінде келтірілген жорғалаушылықтың қисығын қара).

Максвеллдің үлгісі – серпімді және тұтқырлы элементтерді біртіндеп қосу (сурет 6.4, а). изотоникалық режимде (сурет 6.4, б) серіппе бір сәтте Гук заңы анықтайтын мәнге дейін ұзарады (уақыт моменті τ₁), ал поршень тұрақты жылдамдықпен тұрақты сыртқы күш әсер еткенше әрекет етеді. Жүктеме алынғанна кейін (уақыт моменті τ₂) серіппе бір сәтте қысқарады, ал поршень өзгеріссіз қалады. Изометриялық режимде (сурет 6.4, в) серіппе жылдам созудан кейін қысқара бастайды, осы кезде поршень де созылады, яғни кернеудің релаксациясы өтеді.

Сурет 6.3

Сурет 6.4

Зинердің үлгісі – Кельвин-Фойгт үлгілері және серпімді элементті біртіндеп қосу (сурет 6.5, а). Изотоникалық режимде (сурет 6.5, б) серіпп 1 Гук заңы анықтайтын мәнге дейін бір сәтте ұзарады, ал серіппе 2 поршеньнің созылуына байланысты біртіндеп ұзарады және сызықты емес сипатқа ие.

Сурет 6.5

Сыртқы тұрақты күштің әсері тоқтағаннан кейін серіппе 1 бір сәтте тоқтайды, серіппе 2 біртіндеп қысқарады, поршеньді кері бағытта тартады. Осылайша, жүктеме алынғаннан кейін үлгіде қалдық қожырау сақталмайды. Қожыраудың уақыттан тәуелділігі күрделі сипатқа ие: ол бастапқы кернеумен, серіппелердің 1 және 2серпімділік модульдерімен және жүйенің тұтқырлығымен анықталады. Изометриялық режимде (сурет 6.5, в) серіппеде 1 біәр сәтте кернеу туады σ₀, одан кейін кернеу экспоненциалды заң бойынша қысқарады, өйткені поршеньннің біртіндеп ұзаруы мен серіппенің 2 созылуы өтеді. Қожырау тоқталғаннан кейін кернеу бірнеше шамаға дейін кенет түседі (серіппе қысқарады 1), ал одан кейін баяу нөлге дейін келеді.

Биожүйелердің механикалық қасиеттері олардың құрылымдық құрылысымен негізделген.

Бұлшық еттер. Бұлшық еттердің құрамына коллаген және эластин талшықтары енеді, сондықтан олар өздерін полимерлер сияқты болады – оларда тұтқырлы серпімді қожырау өтеді. Майда бұлшықеттер қожырау кезінде өздерін Масвелл үлгісі сияқты жүргізеді (6.4 сурет). Оларға кернеудің релаксациясы тән, сондықтан олар өздерін белгілі бір күшті кернеусіз созыла алады, бұл қуыс органдардың үлкен созылуына ықпал етеді. Қаңқа бұлшықеттері қожырау кезінде Зинер үлгісіне тән (6.5 сурет): тез созылу кезінде олардағы кернеу ұлғаяды, ал одан кейін біртіндеп белгілі бір қалдық мәнге дейін кішірейеді. Үлгіге қарағанда тәуелділік қаңқа бұлшықеті үшін сызықты емес.

Сүйектер. Сүйек талшығы өзініің қасиеттері бойынша бұлшықеттерден ерекшеленеді. Оның құрылысы мен қасиеттері жоғарыда қарастырылған (5 жұмыс). Қожырау кезінде іс-әрекеті бойынша қаңқа талшығы Зинер үлгісі сияқты (6.5 сурет). қаңқа талшығының минералды комопненттері оның серпімді қасиеттерін және тез қожырауды қамтамасыз етеді, ал коллагеннің органикалық талышқтары – тұтқырлы қасиеттеріді жәге сүйектің жорғалаушылығын анықтайды.

Жұмысты орындау тәртібі

1 Қожыраудың изотоникалық режимінде механикалық үлгілердің іс-әрекетін зерттеу:

а) серіппеге сыртқы күш салыңыз және оның әсерін белгілі бір уақыт ішінде ұстап тұрыңыз;

б) сыртқы күштің әсерін тоқтатыңыз;

в) дәптерге тұрақты сыртқы күштің әсер кезінде және жүктемені алғаннан кейін салыстырмалы ұзарудың уақыттың тәуелділігінің графигін салыңыз;

г) басқа үлгілер үшін пп. а)-в) сияқты әрекеттерді жасаңыз;

д) қай үлгілерде жорғалаушылық байқалатын туралы қорытынды жасаңыз.

2 Қожыраудың изометриялық режимінде механикалық үлгілердің әрекетін зерттеу:

а) серіппеге сыртқы күш салыңыз және оның әсерін белгілі бір уақыт ішінде ұстап тұрыңыз;

б) ұзартуды алып тастаңыз;

в) дәптерге тұрақты салыстырмалы ұзарту кезінде және жүктемені алғаннан кейін салыстырмалы ұзарудың уақыттың тәуелділігінің графигін салыңыз;

г) басқа үлгілер үшін пп. а)-в) сияқты әрекеттерді жасаңыз;

д) қай үлгілерде кернеудің релаксациясы байқалатыны туралы қорытынды жасаңыз.

3 Тәуелділік графиктерін бақылау және биологиялық талшықтар:

а) кезекпен экранда тәуелділік графиктерін алыңыз майда бұлшықеттің қожырауы үшін; - қаңқа бұлшықеті үшін; - кернеудің екі мәнінде изотоникалық режимде сүйек талышығы үшін;

б) алынған графиктерді дәптерге салыңыз және әрбір аталған биологиялық талшықтар үшін сәйкес келетін үлгілерді көрсетіңіз.

4 Жануардың жасына байланысты сіңірдің серпімділік үлгісінің тәуелділігін зерттеу:

а) жануардың жасын енгізіңз және экранда тәуелділік графигін алыңыз ;

б) алынған график бойынша абциссалар осіне графиктің бұрышының тангенсі ретінде сіңірдің серпімділік модулін анықтаңыз Е;

в) жастың басқа мәндері үшін сол сияқты әрекеттерді жасаңыз;

г) алынған мәліметтерді 6.1 кестеге енгізіңіз;

д) жасына байланысты сіңірдің серпімділігінң модулінің тәуелділік графигін салыңыз;

е) жасына байланысты сіңірдің серпімділік модулінің өзгеру сипаты туралы қорытынды жасаңыз.

5 Жасына байланысты серпімділіктің шегінің тәуелділігін зерттеу:

а) жануардың жасын енгізіңіз;

б) сіңірге қолданылатын жүктемені өзгерте отырып, F әрекетті күштен ε салыстырмалы қожырауының тәуелділігінің графигін экранда алыңыз;

в) алынған график бойынша ε_mах салыстырмалы ұзаруы мен F_max жүктемесінің шекті мәнін анықтаңыз;

г) сіңірдің серпімділік шегін формула бойынша есептеңіз (5 жұмыс)

мұнда S – сіңірдің көлденең тілігінің ауданы (2·10^-6 м² тең);

д) сіңірдің максималды абсолютті ұзаруын есептеңіз (қожырауға ұшырамаған 1₀ ұзындығын 0,12 м тең деп қабылдау);

е) жастың басқа мәндері үшін а)-д) пп. сияқты әрекеттерді жасаңыз;

ж) өлшеулер мен есептеулер нәтижелерін 6.1 кестеге енгізіңіз;

6.1 кесте

Жасы, жыл	Е, Па	Fmax, H	σуп, Па	εmax	Δlmax, м

з) жасына байланысты сіңірдің серпімділігі шегінің тәуелділік графигін құрастырыңыз;

и) жасына байланысты сіңірдің серпімділігінің өзгеру шегінің сипаты туралы қорытынды шығарыңыз.

Сұрақтар мен тапсырмалар

1 Механикалық қожыраудың анықтамасын беріңіз.

2 Қожыраулардың мүмкін түрлерін атаңыз.

3 Қожыраудың изотоникалық және изометриялық режимдерінің мәні неде?

4 Кернеудің релаксациясы мен жорғалап жүруі деп не аталады?

5 Қатты денелердің үлгілерін көрсетіңіз және олардың қожырауларының ерекшеліктерін суреттеңіз.

6 Биологиялық талшықтардың механикалық қасиеттерін суреттеңіз.

Өздік бақылау үшін тапсырмалар

1 Тұтқырлы серпімді келесі қожырау аталады:

а) сыртқы күштің әсер етуі тоқтатылғаннан кейін толық жоғалады;

б) жүктемені алғаннан кейін сақталады;

в) тұрақты күш әсер еткен кезде уақыт өткеннен кейін маңызды шамаға жетеді, ал жүктеме алынғаннан кейін жоғалады;

г) жүктемені алғаннан кейін бөлшекті сақталады.

2 Жорғалап жүретін деп келесі құбылыс аталады:

а) тұрақты жүктеме кезінде уақыт өткеннен обьекттің салыстырмалы қожырауының өзгеруі;

б) тұрақты салыстырмалы қожырау кезінде уақыт өткеннен кейін механикалық кернеудің азаюы;

в) сыртқы күштің әсері кезінде обьекттің ұзындығының өзгеруі;

г) сыртқы күштің әсері кезінде обьекттің формасының өзгеруі.

3 Қожыраудың изотоникалық режимінің мәні:

а) зерттелетін үлгіде тұрақты салыстырмалы ұзаруының құрылуында;

б) үлгіде тұрақты қожыраудың құрылуында;

в) зерттелетін үлгіде тұрақты механикалық кернеудің құрылуында.

4 Созылудың қожырауының шамасы болып табылады:

а) салыстырмалы созылу;

б) кернеу;

в) Юнг үлгісі;

г) абсолютті ұзарту.

5 Қодырау кезінде қаңқа бұлшықеттері келесі үлгі сияқты болады:

а) серпімді элемент;

б) Максвелл;

в) тұтқырлы элемент;

г) Зинер;

д) Кельвин-Фойгт.

ҰСЫНЫЛАТЫН ӘДЕБИЕТ

1 Мачихин Ю. А., Мачихин С. А. Инженерная реология пищевых материалов. - М. : Легкая и пищевая промышленность. 1981, 212 с.

2 Азаров Б. М., Назаров Н. И. Реология пищевых масс. - М. : МТИПП. 1970, 90 с.

3 Азаров Б. М., Арет В. А. Инженерная реология пищевых производств. - М. : МТИПП. 1978, 112 с.

4 Николаев Б. А. Структурно-механические свойства мучного теста. - М. : Пищевая промышленность, 1976, 247 с.

5 Мачихин Ю. А., Клаповский Ю. В. Современные способы формования конфетных масс. - М. : Пищевая промышленность, 1974, 184 с.

6 Общая технология пищевых производств. Под ред. Н. И. Назарова. - М. : Пищевая промышленность. 1980, 380 с.

7 Соколов А. Я. Основы расчета и конструирование оборудования пищевых производств. - М. : Пищевая промышленность, 1984.