Lepkosprężystość. 2. Tłumik spełniający prawo Newtona element doskonale lepki T T

Transkrypt

1 Kiedy materiał po przyłożeniu naprężenia lub odkształcenia zachowuje się trochę jak ciało elastyczne a trochę jak ciecz lepka to mówimy o połączeniu tych dwóch wielkości i nazywamy lepkospreżystością. W związku z tym powstaje kilka pytań i problemów: 1.Co oznacza trochę? 2.Jak wygląda połączenie lepkości i sprężystości? 3.Jak wygląda materiał lepkosprężysty? 4.Jaka jest rola czasu w tym zjawisku?

2 Każdy materiał rzeczywisty jest lepkosprężysty, tylko nasza percepcja nie pozwala nam tego dostrzec. Wiążę się to z szybkością naszego ostrzegania. Nasza skala postrzegania jest rzędu minut, godzin, dni, miesięcy. Dlatego na początek dwa przykłady idealne: 1. Sprężyna spełniająca prawo Hooke a element doskonale sprężysty τ = s Gs γ s 2. Tłumik spełniający prawo Newtona element doskonale lepki dγ T 1 = dt η T τ T

3 Przykładem ciał spełniających w przybliżeniu (naszej skali postrzegania) prawo Hooke a są: nanorurki węglowe (fulereny), stal i większość materiałów konstrukcyjnych. Prawie doskonałą lepkość cechują się gazy i np. woda Ale to przy założeniu że rozpatrujemy naszą skalę czasową postrzegania. Heraklit z Efezu wypowiedział kiedyś sentencje Wszystko płynie zapomniał tylko dopowiedzieć że trzeba na to odpowiednio długo poczekać. W Biblii też napisano że góry popłyną tylko trzeba poczekać. Dlatego że czas jest najważniejszy w obserwacji zjawisk lekosprężystych. Zjawisko płynięcia występuje zawsze tylko jego intensywność zależna jest od kilku parametrów: przyłożonego naprężenia, temperatury i czasu. Najlepszym przykładem jest wagon kolejowy przed i po pożarze. Gdzie widoczne jest typowe załamanie związane z pełzaniem stali. Wniosek: Lepkosprężystość jest wytworem naszego umysłu!!

4 Układami lepkosprężystymi mogą być zarówno ciała stałe jak i ciecze. W przemyśle spożywczym typowymi układami lepkosprężystymi są kleiki skrobiowe i wszelkie żele. Głównymi składnikami żywności są biopolimery: polisacharydy i białka. Układy te w środowisku wodnym mają tendencję do tworzenia trójwymiarowych struktur, które w pewnych warunkach płyną, a w pewnych zachowują się elastycznie.

5 Budowa strukturalna takiej sieci zależy od rodzaju oddziaływań pomiędzy rozpuszczalnikiem a biopolimerami jak i samymi biopolimerami. Oddziaływania te mogą być typu: 1. Elektrostatycznego 2. Van der Walasa 3. Wiązań wodorowych (mostki wodorowe) 4. Wiązań kowalencyjnych (trwałe wiązanie chemiczne) W żywności mogą wystąpić wszystkie rodzaje powyższych oddziaływań na raz!

6 Fragment sieci przestrzennej utworzonej przez makrocząsteczki Jako elementy sprężyste można interpretować te fragmenty makrocząsteczek które są zwinięte w kłębki lub helisy, natomiast te fragmenty które przenikają się pomiędzy sobą, i w rezultacie trą o siebie można traktować jako elementy lepkie.

7 Przykłady różnych struktur tworzonych przez układy spożywcze Mechanizm żelowania i retrogradacji skrobi Mostek wodorowy Helisy amylozowe

8 Przykłady różnych struktur tworzonych przez układy spożywcze Mechanizm żelowania w wyniku przemiany kłębek-helisa np. karageny, białka

9 Przykłady różnych struktur tworzonych przez układy spożywcze Mechanizm żelowania w wyniku przemiany kłębek-helisa w obecności jonów metali np. karageny, białka (tzw. jajko w klatce)

10 Modele obiektów lepkosprężystych Modele fenomenologiczne opisują zachowanie układu, model Maxwella, model Kelvina - Voigta, model Zenera itp. Modele molekularne (polimery) opisują zachowanie układu, wychodząc od budowy strukturalnej układu, model Zimma, model Rouse o itp.

11 Modele obiektów lepkosprężystych Model Maxwella Model Kelvina - Voigta

12 Modele obiektów lepkosprężystych Dyskretny model Maxwella Dyskretny model Kelvina - Voigta

13 Modele obiektów lepkosprężystych Dyskretny model Burgera