PMC

Példa: élelmiszerkrémek

A 4. ábra két példát mutat brit élelmiszerkrémek oszcillációs vizsgálatára párhuzamos lemezes készülékkel. Az anyagot 1 Hz-es frekvenciával szinuszosan változó alakváltozásnak vetik alá: az alakváltozás amplitúdóját folyamatosan növelik, és az anyag által a mozgó lemezre kifejtett nyomatékot mérik és nyírófeszültséggé alakítják. Ezután a G′ és G″ értékek kiszámítása következik. A viselkedés három területe nyilvánvaló. Kis alakváltozásnál (I. tartomány) mindkét modulus független az alakváltozástól: ez a lineárisan rugalmas tartomány. Itt a G′ egy nagyságrenddel nagyobb, mint a G″ – az anyag reakciója elsősorban rugalmas. A II. régióban a G′ az alakváltozás növekedésével csökken. A III. tartományban G″>G′, így a viszkózus válasz dominál: az anyag a szilárdtest-szerű viselkedésből a folyadékszerű viselkedés irányába mozdult el. 0,1%-os alakváltozásnál G″≈G′, és ez valamilyen kritikus alakváltozás vagy feszültség, τc (egyes munkások ezt nevezik folyáshatárnak). Mások azt állítják, hogy nem az). A τc nagyságát a τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa-ból becsülhetjük meg.

A 4. ábra azt sugallja, hogy a két kenhető termék nagyon hasonló, de a Nutella® és a Marmite® ismerői tudják, hogy ez a két anyag másképp folyik. Mindkét anyag nem newtoni, és a látszólagos viszkozitás a nyírási sebességtől függ: a kenhető anyagok összehasonlításához ismernünk kell a penge által a kenéskor kifejtett nyírási sebességet. Tapasztalat (mondjuk, hogy egy szelet kenyér körülbelül 10 cm széles, és 5 másodpercig tart a kenés: V=0,1/5 m/s) azt sugallja, hogy V~0,02 m/s és h~1 mm, tehát a nyírási sebesség körülbelül 20/s. Az 5. ábrán látható egyenletes nyírási vizsgálat adatai azt mutatják, hogy a Marmite® látszólagos viszkozitása kenési körülmények között észrevehetően nagyobb, mint a Nutella®-é. Mindkét anyag esetében a látszólagos viszkozitás csökken a nyírási sebesség növekedésével: ezeket nevezzük nyírási elvékonyodásnak, ami a folyadékkal való kölcsönhatások megszakadását tükrözi a nyírás során. Sok összetett folyadék nyírással vékonyodik: néhány, például a kukoricakeményítő-szuszpenzió, nyírással sűrűsödik, és η a nyírási sebességgel nő.

A reológiai mérések során fontos a megfelelő időskálák (a nyírási sebesség mértékegysége s-1, így a nyírási sebességek reciprok időskálák) és nyírási sebességek kiválasztása. Az 5. ábra mutatja, hogy a nem reprezentatív nyírási sebességgel végzett mérések hibás eredményeket adnak. Tekintsük a szemhéj pislogásakor keletkező könnyfilmet. A szemhéj kb. 15 mm-t mozog előre és hátra kb. 150 ms alatt, tehát V~0,1 m/s: ha a könnyfilm vastagságát kb. 3 μm-nek vesszük, akkor a könnyfilm kialakulásához kapcsolódó nyírási sebesség kb. 33 000/s lesz. Ez nagy nyírási sebesség, és az ebben a régióban végzett mérésekhez speciális eszközökre lehet szükség. A másik figyelembe veendő időskála a relaxációs idő, amely a pislogások közötti időtartamhoz (kb. 5 s) viszonyítható, ami meghatározza, hogy a folyadéknak mennyi időre van szüksége ahhoz, hogy a nyírási epizódok között helyreálljon.

A kölcsönhatások helyreállásának ez a szempontja az 5. ábrán is látható, ahol a nyírási sebességet a maximális értékig, majd újra lefelé emelve mutatják be az adatokat. A Nutella® látszólagos viszkozitása alacsonyabb a visszatérő szakaszon, ez a tixotrópiának nevezett jellemző, amely azzal függ össze, hogy a folyadéknak időre van szüksége ahhoz, hogy a deformációból felépüljön. A Marmite® szokatlan viselkedést mutat, mivel a látszólagos viszkozitás szinte állandó a visszatérő szakaszon. Gyakorlatilag emlékszik arra, hogy milyen gyorsan nyíródott.

A nem-newtoni viselkedés a folyadék összetevői közötti kölcsönhatásokból ered. A Marmite® sok oldott fehérjetöredéket tartalmaz: sok biológiai folyadék polimeroldat, az üvegtest (VH) pedig kollagénfibrillumok vizes szuszpenziója. Silva és munkatársai1 a nyúl VH reológiáját vizsgálták a 4. és és55. ábrához hasonló technikákkal, és kimutatták, hogy a VH folyékony vagy gél fázisban létezik, mindkettő viszkoelasztikus.

A Nutella® sűrű szuszpenzió, és a nyírási hígulás a részecskék közötti kölcsönhatásokból ered. A sejtek vagy buborékok, mint mikroméretű jellemzők, számos különböző kölcsönhatást okozhatnak. A 6. ábra egy buborékos folyadék nyírása által keltett erősen rugalmas reakcióra mutat példát: a keverő egy irányba mozog, de a folyadék erre egy másik irányú erő létrehozásával válaszol, ami a tészta felkapaszkodását okozza a rúdra. A 7. ábrán látható karikatúra egy párhuzamos lemezes vizsgálatban elforgatott mintát mutat. A keletkező felhajtóerőt a normálfeszültségek N1-N2 különbségeként fejezzük ki. A 7. ábra adatai azt mutatják, hogy a buborékmentes méz állandó, kis N1-N2 értéket ad: buborékok hozzáadása nagy felhajtóerőt eredményez. Egy ilyen anyag áramlása egy cső mentén nagy normálfeszültségeket generálhat a cső falán.

A nem-newtoni viselkedésnek számos más típusa is létezik. Viszoplasztikus folyadékok azok, amelyek egy kritikus feszültség eléréséig nem áramlanak. A Bingham-folyadék a viszkoplasztikus folyadékok legegyszerűbb típusa. A kritikus feszültség alatt – amelyet gyakran folyáshatárnak neveznek – az anyag szilárdsághoz hasonló viselkedést mutat, például rugalmasságot és kúszást. A kritikus feszültség felett a folyadék áramlik, és a látszólagos viszkozitás a nyírási sebességtől függ. A viszkoplasztikus folyadékok mindig nyíróvékonyak, de nem minden nyíróvékony folyadék viszkoplasztikus. A mindennapi példák közé tartozik a fogkrém és a hajzselé. A paradicsomketchupot gyakran írják le viszkoplasztikusnak, de ez vitathatatlanul megint csak összetettebb. A kritikus (vagy folyási) feszültség mérése kihívást jelenthet: a becsült értéket gyakran a mérési módszer határozza meg.