1.2.2 Классификация реологических тел

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 < τ₀ < 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 τ₀ находятся в следующем интервале: 10 < τ₀ < 100 Па;

4. вязко-пластическая система, когда η_эф резко зависит от при 100 < τ₀ ≤ 1000 Па;

5. пластичная система, которая характеризуется в основном величиной τ₀: 1000 < τ₀ ≤ 5000 Па;

6. упруго-эластичная система, которая характеризуется в основном компрессионными или прочностными свойствами: τ₀ > 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
1	0	∞		∞	упругое тело Гука
2	> 0	0		> 0	пластичное тело Сен-Венана
3	> 0	1	> 0		пластично-вязкое тело Шведова-Бингама
4	0	< 1	> 0		псевдопластическое тело
5	0	> 1	> 0		дилатантное тело
6	> 0	< 1	> 0		нелинейное пластичное тело
7	> 0	> 1	> 0		нелинейное дилатантное тело
8	0	1	> 0		истинно-вязкое тело Ньютона
9	0	0	0		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).