PMC

Exemplu: produse alimentare tartinabile

Figura 4 prezintă două exemple de testare oscilatorie a produselor alimentare tartinabile din Marea Britanie cu ajutorul unui dispozitiv cu plăci paralele. Materialul este supus unei deformații care variază sinusoidal cu timpul la o frecvență de 1 Hz: amplitudinea deformației este crescută în mod constant, iar cuplul exercitat de material pe placa mobilă este măsurat și convertit într-o tensiune de forfecare. Se calculează apoi valorile lui G′ și G″. Sunt evidente trei regiuni de comportament. La o deformare redusă (regiunea I), ambii module sunt independenți de deformare: aceasta este regiunea liniar elastică. Aici, G′ este cu un ordin de mărime mai mare decât G″ – răspunsul materialului este în primul rând elastic. În regiunea II, G′ scade odată cu creșterea tensiunii. În regiunea III, G″>G′, astfel încât răspunsul vâscos domină: materialul a trecut de la un comportament de tip solid la un comportament de tip fluid. La o deformație de 0,1%, G″≈G′ și aceasta este o anumită deformație sau tensiune critică, τc (unii cercetători ar numi-o tensiune de cedare. Alții vor susține că nu este așa). Putem estima magnitudinea lui τc pornind de la τc=G′γ=1000 × 0,001=1 Pa.

Figura 4 sugerează că cele două produse tartinabile sunt foarte asemănătoare, dar cei care sunt familiarizați cu Nutella® și Marmite® vor ști că aceste două materiale curg diferit. Ambele materiale nu sunt newtoniene, iar vâscozitatea aparentă va depinde de viteza de forfecare: pentru a compara produsele tartinabile, trebuie să cunoaștem viteza de forfecare impusă de lamă în momentul întinderii. Experiența (să spunem că o felie de pâine are o lățime de aproximativ 10 cm și că are nevoie de 5 s pentru a se întinde: V=0,1/5 m/s) sugerează că V~0,02 m/s și h~1 mm, deci viteza de forfecare este de aproximativ 20/s. Datele pentru testul de forfecare constantă din figura 5 arată că vâscozitatea aparentă a Marmite® este sensibil mai mare decât cea a Nutella® în condiții de întindere. Pentru ambele materiale, vâscozitatea aparentă scade odată cu creșterea vitezei de forfecare: acestea sunt denumite subțiere prin forfecare, reflectând o întrerupere a interacțiunilor cu fluidul pe măsură ce acesta este forfecat. Multe fluide complexe se subțiază prin forfecare: unele, cum ar fi suspensiile de amidon de porumb, se îngroașă prin forfecare, iar η crește odată cu viteza de forfecare.

Selectarea scărilor de timp corecte (unitățile de măsură a vitezei de forfecare sunt s-1, deci vitezele de forfecare sunt scări de timp reciproce) și a vitezelor de forfecare este importantă în efectuarea măsurătorilor reologice. Figura 5 arată că măsurătorile efectuate la o rată de forfecare nereprezentativă vor da rezultate incorecte. Luați în considerare filmul lacrimal creat de clipitul pleoapelor. Pleoapa se deplasează înainte și înapoi aproximativ 15 mm în aproximativ 150 ms, deci V~0,1 m/s: luând o grosime a peliculei lacrimale de aproximativ 3 μm, rezultă o rată de forfecare asociată cu formarea peliculei lacrimale este de aproximativ 33 000/s. Aceasta este o rată de forfecare ridicată și efectuarea de măsurători în această regiune poate necesita dispozitive specializate. Cealaltă scală de timp care trebuie luată în considerare este timpul de relaxare, care poate fi corelat cu perioada dintre clipiri (aproximativ 5 s), care va determina cât timp are lichidul să se recupereze între episoadele de forfecare.

Acest aspect al recuperării interacțiunilor este, de asemenea, evident în figura 5, unde sunt prezentate date pentru rata de forfecare care este crescută până la valoarea maximă și apoi redusă din nou. Vâscozitatea aparentă a Nutella® este mai mică pe traseul de întoarcere, o caracteristică cunoscută sub numele de tixotropie, asociată cu faptul că fluidul are nevoie de timp pentru a-și reveni după deformare. Marmite® prezintă un comportament neobișnuit, în sensul că vâscozitatea aparentă este aproape constantă pe traseul de întoarcere. Acesta își amintește efectiv cât de repede a fost forfecat.

Comportamentul non-newtonian apare din interacțiunile dintre componentele unui fluid. Marmite® conține multe fragmente proteice dizolvate: multe fluide biologice sunt soluții de polimeri, iar umorul vitros (VH) este o suspensie apoasă de fibrile de colagen. Silva et al1 au studiat reologia VH de iepure folosind tehnici similare cu cele din figurile 4 și și55 și au arătat că VH există sub formă de fază lichidă sau de gel, ambele fiind vâscoelastice.

Nutella® este o suspensie densă, iar subțierea prin forfecare rezultă din interacțiunile dintre particule. Celulele sau bulele, ca trăsături la scară mică, pot provoca o serie de interacțiuni diferite. Figura 6 prezintă un exemplu de răspuns puternic elastic generat de forfecarea unui lichid cu bule: agitatorul se mișcă într-o direcție, dar fluidul răspunde prin generarea unei forțe într-o direcție diferită, determinând aluatul să urce pe tijă. Desenul animat din figura 7 arată o probă care este rotită într-un test cu plăci paralele. Împingerea în sus generată este exprimată ca o diferență a tensiunilor normale, N1-N2. Datele din figura 7 arată că mierea fără bule dă o valoare N1-N2 constantă și mică: adăugarea de bule dă o împingere în sus mare. Curgerea unui astfel de material de-a lungul unui tub poate genera tensiuni normale mari pe pereții tubului.

Există o serie de alte tipuri de comportament newtonian. Fluidele vâscoplastice sunt cele care nu curg până când nu se atinge o tensiune critică. Un fluid Bingham este cel mai simplu tip de fluid viscoplastic. Sub tensiunea critică – denumită adesea tensiune de curgere – materialul prezintă un comportament asemănător cu cel al solidului, cum ar fi elasticitatea și fluajul. Peste tensiunea critică, fluidul curge, iar vâscozitatea aparentă depinde de viteza de forfecare. Fluidele vâscoplastice sunt întotdeauna subțiate prin forfecare, dar nu toate fluidele subțiate prin forfecare sunt vâscoplastice. Printre exemplele de zi cu zi se numără pasta de dinți și gelul de păr. Ketchupul de tomate este deseori descris ca fiind viscoplastic, dar se poate spune că este din nou mai complex. Măsurarea tensiunii critice (sau de curgere) poate fi o provocare: valoarea estimată este adesea determinată de metoda de măsurare.

.