PMC

Příklad: potravinářské pomazánky

Obrázek 4 ukazuje dva příklady oscilačního testování britských potravinářských pomazánek pomocí zařízení s paralelní deskou. Materiál je vystaven deformaci, která se s časem mění sinusově s frekvencí 1 Hz: amplituda deformace se plynule zvyšuje a měří se moment, kterým materiál působí na pohyblivou desku, a převádí se na smykové napětí. Poté se vypočítají hodnoty G′ a G″. Jsou patrné tři oblasti chování. Při nízké deformaci (oblast I) jsou oba moduly nezávislé na deformaci: jedná se o lineárně pružnou oblast. Zde je G′ řádově větší než G″ – reakce materiálu je primárně pružná. V oblasti II se G′ s rostoucí deformací snižuje. V oblasti III je G″>G′, takže převládá viskózní odezva: materiál přešel od chování podobného pevnému tělesu k chování podobnému tekutině. Při deformaci 0,1 % je G″≈G′ a to je určitá kritická deformace nebo napětí τc (někteří pracovníci by to nazvali mez kluzu. Jiní budou tvrdit, že tomu tak není). Velikost τc můžeme odhadnout z τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Obrázek 4 naznačuje, že oba pomazánkové výrobky jsou si velmi podobné, ale kdo zná Nutellu® a Marmite®, ví, že tyto dva materiály tečou odlišně. Oba materiály jsou nenewtonské a zdánlivá viskozita bude záviset na smykové rychlosti: abychom mohli pomazánky porovnat, potřebujeme znát smykovou rychlost, kterou působí nůž při roztírání. Zkušenost (řekněme, že krajíc chleba je široký přibližně 10 cm a jeho roztírání trvá 5 s. V tomto případě je třeba, aby se krajíc chleba rozprostřel na šířku: V=0,1/5 m/s) vyplývá, že V~0,02 m/s a h~1 mm, takže smyková rychlost je přibližně 20/s. Údaje pro zkoušku ustáleným smykem na obrázku 5 ukazují, že zdánlivá viskozita Marmite® je za podmínek roztírání znatelně větší než Nutella®. U obou materiálů se zdánlivá viskozita s rostoucí smykovou rychlostí snižuje: označuje se jako smykové ztenčení, což odráží narušení interakcí s tekutinou při smyku. Mnoho složitých kapalin je smykově řídkých: některé, jako například suspenze kukuřičného škrobu, jsou smykově husté a η se zvyšuje se smykovou rychlostí.

Při reologických měřeních je důležitá volba správných časových stupnic (jednotkami smykové rychlosti jsou s-1, takže smykové rychlosti jsou vzájemné časové stupnice) a smykových rychlostí. Obrázek 5 ukazuje, že měření provedená při nereprezentativní smykové rychlosti poskytnou nesprávné výsledky. Uvažujme slzný film vytvořený mrknutím očního víčka. Oční víčko se pohybuje dopředu a dozadu přibližně 15 mm za 150 ms, takže V~0,1 m/s: pokud vezmeme tloušťku slzného filmu přibližně 3 μm, dostaneme smykovou rychlost spojenou s tvorbou slzného filmu přibližně 33 000/s. To je vysoká smyková rychlost a měření v této oblasti může vyžadovat specializovaná zařízení. Další časovou škálou, kterou je třeba vzít v úvahu, je relaxační doba, kterou lze vztáhnout k době mezi mrknutími (přibližně 5 s), což určí, jak dlouho se musí tekutina zotavovat mezi jednotlivými epizodami střihu.

Tento aspekt zotavování interakcí je také patrný na obrázku 5, kde jsou uvedeny údaje pro střihovou rychlost, která se zvyšuje na maximální hodnotu a poté se opět snižuje. Zdánlivá viskozita Nutelly® je na vratném úseku nižší, což je vlastnost známá jako tixotropie, která souvisí s tím, že kapalina potřebuje čas na zotavení z deformace. Marmite® vykazuje neobvyklé chování, neboť zdánlivá viskozita je na vratném rameni téměř konstantní. Efektivně si pamatuje, jak rychle byla střižena.

Nonnewtonovské chování vzniká v důsledku interakcí mezi složkami v kapalině. Marmite® obsahuje mnoho rozpuštěných bílkovinných fragmentů: mnoho biologických tekutin jsou roztoky polymerů a sklivec (VH) je vodní suspenze kolagenních vláken. Silva a spol.1 studovali reologii králičí VH pomocí technik podobných těm na obrázcích 4 a55 a ukázali, že VH existuje jako kapalná nebo gelová fáze, přičemž obě jsou viskoelastické.

Nutella® je hustá suspenze a smykové ztenčení vzniká interakcí mezi částicemi. Buňky nebo bubliny, jakožto mikroměřítkové prvky, mohou způsobovat řadu různých interakcí. Obrázek 6 ukazuje příklad silně elastické reakce vyvolané střihem bublinkové kapaliny: míchadlo se pohybuje v jednom směru, ale kapalina reaguje vytvořením síly v jiném směru, což způsobuje stoupání těsta po tyči. Kreslený obrázek 7 ukazuje vzorek, který se otáčí při zkoušce s paralelní deskou. Vzniklý tah vzhůru je vyjádřen jako rozdíl normálových napětí N1-N2. Údaje na obrázku 7 ukazují, že med bez bublinek dává konstantní, malé N1-N2: přidáním bublinek vzniká velký vzestupný tah. Proudění takového materiálu podél trubice může vytvářet velká normálová napětí na stěnách trubice.