Принадлежность реального продукта к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет обосновать выбор прибора для исследований и правильно определить его свойства.
Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчета различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.
Если взять упругое и истинно-вязкое тела в качестве граничных, то все остальные тела будут располагаться между ними. Наиболее простая классификация (таблица 1.2) предложена по величине отношения предельного напряжения сдвига к плотности и ускорению свободного падения (), характеризующего меру способности вещества сохранять свою форму.
Таблица 1.2
Классификация тел по физическим параметрам
Менее 0,005 | 0,005 – 0,02 | 0,02 – 0,15 | Более 0,15 | |
Наименование вещества | Структурные жидкости | Жидкие пасты | Густые пасты | Твердые тела |
Б.А. Николаев предложил обобщенную классификацию (от твердого до истинно-вязкого состояния) по величине механических свойств. К первой группе относятся твердые и твердообразные тела, ко второй – твердо-жидкие, к третьей – жидкообразные и жидкости. Минимум показателей, характеризующих в достаточной мере реологические свойства продуктов, для каждой группы будут различными.
Твердые и твердообразные продукты первой группы (твердый жир, целые ткани мяса, сухари, печенье и пр.) характеризуются в основном модулями упругости, вязкостью и отношением вязкости к модулю упругости, а также предельным напряжением сдвига, обуславливающим начало течения структуры.
Твердо-жидкие продукты второй группы (мясной фарш, творог, студни, мучное тесто и пр.), обладающие многообразием механических свойств, характеризуются наибольшим количеством показателей: модулями упругости, эластичности, отношением вязкости к модулю упругости, предельным напряжением сдвига, пластичностью, а также эластичностью и коэффициентом разжижения (упрочнения).
Жидкообразные и жидкие продукты третьей группы (расплавленный жир, бульоны, молоко, мед, вода и пр.) характеризуются величинами их предельного напряжения сдвига, зависимостью структурной вязкости от напряжения, потерей давления при течении по трубам, предельной скоростью течения и, главным образом, вязкостью.
Предложенная проф. В.Д. Косым и М.Ю. Меркуловым классификация биотехнологических сред по реологическим сдвиговым характеристикам, делит материалы на следующие группы:
1) структурированная жидкость, практически ньютоновская, когда вязкость не зависит от градиента скорости и является постоянной величиной, при этом предельное напряжение сдвига равно нулю;
2) переходная структурированная жидкость, когда эффективная вязкость незначительно зависит от градиента скорости до критического значения , например для молока = 200 с–1.при дальнейшем увеличении вязкость остается практически постоянной величиной η эф, а предельное напряжение сдвига находится в следующих пределах: 0 < τ 0 < 10 Па, величиной которого в практических инженерных расчетах можно пренебречь;
3) слабоструктурированная система, когда эффективная вязкость зависит от во всей зоне разрушения структуры, при этом значения τ 0 находятся в следующем интервале: 10 < τ 0 < 100 Па;
4) вязко-пластическая система, когда η эф резко зависит от при 100 < τ 0 ≤ 1000 Па;
5) пластичная система, которая характеризуется в основном величиной τ 0: 1000 < τ 0 ≤ 5000 Па;
6) упруго-эластичная система, которая характеризуется в основном компрессионными или прочностными свойствами: τ 0 > 5000 Па.
Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения Гершеля – Балкли:
, (1.7)
где: – напряжение между слоями продукта, Па;
– предельное напряжение сдвига, Па;
– коэффициент консистенции, пропорциональный вязкости, Па·сn;
n –индекс течения.
При таком способе классификации строятся зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости (кривые течения, см. ниже) и между эффективной вязкостью и градиентом скорости сдвига. По характеру полученных кривых выделяют следующие виды тел, представленные в таблице 1.3.
Перечисленные в таблице 1.3 системы не меняют своих свойств во времени. Выделяют еще группу систем с переменными во времени свойствами: тиксотропные, которым присуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а также непрерывное ее разрушение (до определенного предела) при деформировании, и реопексные, которые способны структурироваться, т.е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости.
П.А. Ребиндер и Н.В. Михайлов предложили разделять реологические тела на жидкообразные и твердообразные в зависимости от характера кривой η эф(τ) рис. 1.3 и от периода релаксации (период релаксации – время, в течение которого напряжения в нагруженном теле уменьшается в е = 2,7 раз).
Таблица 1.3
Значения постоянных в уравнении (1.7).
№ п/п | Предельное напряжение сдвига | Индекс течения | Вязкость | Название тела | |
∞ | ∞ | упругое тело Гука | |||
> 0 | > 0 | пластичное тело Сен-Венана | |||
> 0 | > 0 | пластично-вязкое тело Шведова-Бингама | |||
< 1 | > 0 | псевдопластическое тело | |||
> 1 | > 0 | дилатантное тело | |||
> 0 | < 1 | > 0 | нелинейное пластичное тело | ||
> 0 | > 1 | > 0 | нелинейное дилатантное тело | ||
> 0 | истинно-вязкое тело Ньютона | ||||
идеальная жидкость | |||||
К жидкообразным телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига (τ 0 ст = 0), т.е. такие системы текут при приложении сколь угодно малого внешнего воздействия. К твердообразным относятся упруго-пластичные и другие тела, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига.
В целях системного рассмотрения тенденций формирования ассортимента молочных продуктов необходимо в качестве исходной предпосылки использовать научно-обоснованную классификацию, которая упростит конструирование молочных продуктов с заданной консистенцией и химическим составом.
В основу такой классификации предложена консистенция продуктов, которая представляет собой совокупность реологических свойств слабоструктурированных жидкостей, вязко-пластичного и упруго-эластичного продукта.
Первая группа включает в себя слабоструктурированные (условно ньютоновские и ньютоновские) жидкости, к которым относятся: молоко, сливки, концентрированное молоко без сахара и др. Слабоструктурированные жидкости практически не проявляют аномалии вязкости и могут быть отнесены к ньютоновским жидкостям, течение которых описывается уравнением:
. (1.8)
Вторая группа объединяет молочные продукты, текущие как вязко-пластические жидкости (ряженка, сметана, йогурт и т.д.). Вязко-пластическое тело не деформируется при напряжениях, меньших критического значения, а при больших течет как вязкая жидкость (жидкость Бингама):
. (1.9)
Третья группа включает в себя упруго-эластические продукты (плавленый, сычужный, колбасный сыры, сливочное масло).