ZARYS METODYKI BADAŃ REOLOGICZNYCH PRODUKTÓW ROŚLINNYCH

Metody badań

Większość metod badania różnic odporności roślin na uszkodzenia

i przydatności do zbioru mechanicznego polega na wywołaniu

sztucznego uszkodzenia mechanicznego za pomocą specjalnych

aparatów.

Oddziaływanie maszyn jest zawsze szkodliwe z wyjątkiem

przypadków, gdy chodzi o zniszczenie tkanki rośliny, np. przy

cięciu, zgniataniu, omłocie.

Teoria procesu nacisku wzajemnego dwóch powierzchni

krzywolinijnych została sformułowana przez H. Hertza w 1896r.

Są to założenia następujące:



- materiały stykających się ciał są jednorodne



- obciążenia są statyczne



- odkształcenia nie przekraczają granicy sprężystości



- stykające się ciala stanowią półprzestrzenie i naprężenia na ich

drugich końcach mogą być pominięte



- promienie krzywizny obu stykających się powierzchni są bardzo

duże w porównaniu z promieniem powierzchni styku



- pomija się siły tarcia na powierzchni styku ciała

Właściwości roślin wiążące

się z pracą maszyn

Związek rośliny z maszyną w

znacznym stopniu wynika z fizycznych

właściwości rośliny. Im lepiej pod tym

względem dostosowane są odmia ny

roślin do używanych maszyn lub w im

większym stopniu konstruktor maszyn

uwzględnił fizyczne właściwości roślin,

tym bardziej ko rzystny będzie układ

maszyna-roślina.

Bardzo szybki rozwój techniki rolniczej

spowodował, że wpływ ma szyn rolniczych

na wzrost roślin, na jakość uzyskiwanych

surowców c~ produktów konsumpcyjnych

stał się bardzo duży, jeśli nie dominujący.

Powstała konieczność wyhodowania odmian

roślin przydatnych do zme chanizowanej

produkcji i pozytywnie reagujących na

zmiany w techno logii uprawy narzucane

przez konstrukcje współczesnych maszyn rol

niczych. Ocena jednak wpływu mechanizacji

na organizm roślinny jest możliwa tylko

wtedy, gdy poznane będą wszystkie cechy

roślin, wyra żające ich stan fizyczny i

przebieg procesów biologicznych.

Doświadczenie jednak wskazuje, że zakres

badań cech roślin i ich znajomość jest obecnie

niedostateczna zarówno z punktu widzenia po

trzeb hodowców, jak też konstruktorów

maszyn rolniczych. Skutki ta kiego stanu rzeczy

można łatwo obserwować, gdyż mimo

niewątpliwego postępu, wynikającego ze

stosowania nowych materiałów konstrukcyj

nych i nowych metod obliczeniowych,

szczególnie w zakresie dynamiki maszyn, brak

jest wyraźnego postępu w koncepcjach

maszyn rolniczych.

Właściwości fizyczne

roślin

Złożony i trudny do opisania charakter

materiałów rolniczych wyni ka z komórkowej

budowy i wielofazowej struktury, której każdy

składnik inaczej reaguje na wpływy zewnętrzne,

wreszcie ze wspomnianej zmienności tych cech w

czasie. Jeśli rozważyć naj prostszy element

strukturalny - komórkę roślinną, to z punktu

widzenia fizyki ośrodka jest ona błoną

sprężysto-plastyczną, wypełnioną mieszaniną cie

czy i gazu. Nie istnieje dotychczas nawet

przybliżone rozwiązanie pro blemu jej

odkształcenia pod działaniem sił zewnętrznych,

ani wymiany ciepła i masy w procesie

nagrzewania komórki; podjęto dopiero pierw sze

próby zbadania procesów termodyfuzyjnych na

bardzo uproszczo nych modelach takich ciał.

Stąd też opisy zjawisk fizycznych ograniczają

się na ogół do zbioru elementów traktowanego

bądź jako ciało jednorodne, bądź jako kon strukcje

złożone z jednorodnych warstw.

Klasyfikacja" cech fizycznych

materiałów roślinnych, ważnych z

punk

tu widzenia produkcji, jest więc w tej

sytuacji zmienna i rozmaicie

"formułowana przez różnych autorów;

na ogół dzieli się właściwości na 7

grup podstawowych:

1) geometryczne,
2) mechaniczne,
3) akustyczne,
4) cieplne,
5) dyfuzyjne,
6) elektryczne,
7) optyczne.

Jest to podział ogólny i dla konkretnych

celów badawczych musi być odpowiednio

rozbudowany. Istnieje oczywiście bardzo

wiele możliwości rozbudowywania w miarę

narastania potrzeb praktycznych. Z dotych

czasowych badań można zestawić te

parametry, których określenie uzna no za

pilne:

• W ł a ś c i w o ś c i g e o m e t r y c z n e:

długość, szerokość, grubość, położenie środka
ciężkości, współczynnik sferyczności, tekstura
powierz chni, statystyczny rozkład wymiarów
cząstek, statystyczny rozkład po rowatości,
powierzchnia właściwa;



W ł a ś c i w o ś c i m e c h a n i c z n e: gęstość,

ciężar objętościowy, ciężar usypny, współczynnik

tarcia wewnętrznego, kąt zsypu, współczyn nik

tarcia o różne materiały, moduł sprężystości

podłużnej, moduł sprę żystości poprzecznej,

współczynnik Poissona, moduł sprężystości obję

tościowej, lepkość postaciowa, lepkość

objętościowa, twardość, udarność, wytrzymałość na

rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie,

wytrzymałość na ścinanie, granica sprężystości,

granica plastyczności, granica płynności, granica

płynności biologicznej granica wytrzymałości

biologicznej właściwa praca odkształcenia,

histereza mechaniczna, relaksacja naprężenia,

lepkość powierzchniowa



W ł a ś c i w o ś c i a k u s t y c z n e: 'prędkość fali

dźwiękowej, opor ność akustyczna



W ł a ś c i w o ś c i o p t y c z n e: współczynnik absorpcji,

współczyn nik załamania światła, współczynnik odbicia;



W łaś c i w o ś c i e l e k t r y c z n e i m a g n e t y c z n e:

przenikal ność dielektryczna, wytrzymałość dielektryczna,

stała polaryzacji, opór właściwy, przenikalność

magnetyczna, opór magnetyczny właściwy, po datność

magnetyczna;



W ł a ś c i w o ś c i c i e p l n e: wilgotność materiału,

intensywność pa rowania, histereza wilgoci, współczynnik

dyfuzji wilgoci, współczynnik przejmowania wilgoci, punkty

termometryczne, ciepło właściwe, ciepło utajone, ciepło

spalania, entalpia właściwa, współczynnik przechodzenia

ciepła, współcżynnik przejmowania. Ciepła, współczynnik

przenikania cie pła, współczynnik termogradienty, zdolność

absorpcyjna, współczynnik dyfuzji cieplnej, ciepło

parowania, wilgotność równowagowa, izotermy

sorpcji i desorpcji.

rozkłady grubości,

rozkłady szerokości,

rozkłady długości;

1 - gatunku uprawnego,

2, 3 -_ chwastów

Z punktu widzenia reologii można rozróżnić

dwie grupy zależności stanów na prężenia i

odkształcenia (modeli mechanicznych).

Pierwsza grupa odpowiada takim stanom

materiału, w których nie uwzględnia się

zależności od czasu. Do tej grupy należą:

model ciała Hooke'a liniowo doskonale sprężystego,

model uogólnionego ciała Hooke'a nieliniowo sprężystego,

model ciała doskonale sztywno-plastycznego St. Venanta,

model ciała sprężysto-plastycznego Prandtla, bez

konsolidacji mechanicznej

(wzmocnienia),

model ciała sprężysto-plastycznego Prandtla - Odquista z

liniową konsolidacją

mechaniczną,

model uogólnionego ciała sprężysto - plastycznego z

nieliniową konsolidacją

mechaniczną,

model ośrodka sprężysto - plastycznego (tzw. gazu

plastycznego) Rachmatulina

ze sztywnym odciążeniem.

model cieczy lepkiej Newtona,

model cieczy lepko-sprężystej Maxw.ella,

model ciała lepko-plastycznego St. Venanta-Misesa,

model ciała lepko-sprężystego Kelvina-Voigta,

model ciała lepko-sprężystego Zenera (tzw. model

standardowy),

nieliniowy model ciała lepko-sprężystego Sorokina,

uogólniony model Maxwella,

uogólniony model Kelvina-Voigta,.

model całkowy ciała lepko-sprężystego Boltzmanna,

model całkowy ciała lepko-sprężystego Biota,

model ciała sprężysto - lepkoplastycznego Hohenemsera

-Pragera bez konsoli dacji mechanicznej,

model ciała sprężysto - lepkoplastycznego Malverna z

nieliniową konsolida cją mechaniczną.

W tej grupie występuje zawsze lepkość, powodująca
zależność sta nów naprężenia i odkształcenia od
czasu. Druga grupa modeli odpowiada więc wa
runkom dynamicznym

Elementami, z których zbudowano te

modele, są podstawowe parametry

me chaniczne materiałów:

sprężystość, symbol G, przedstawiona

sprężyną;

lepkość, symbol 'tJ, przedstawiona

tłumikiem hydraulicznym;

plastyczność, symbol {), wyrażona

tarciem.

Modelami ciał klasycznych są
elementarne modele l-parametrowe, w
których dany parametr jest wielkością
stałą.

Zastosowanie niektórych

modeli reologicznych:



- parametrowy model ciała doskonale sztywno -

plastycznego

S t. V e n a n t a charakteryzuje się tym, że pod

działaniem naprę żenia przekraczającego pewną

wartość powstają odkształcenia trwałe. Model ten

odpowiada założeniu, że odkształcenia plastyczne

na tyle przeważają odkształce nia sprężyste, iż te

ostatnie można pominąć.



- parametrowy model sprężysto - plastycznego

P r a n d t l a, będący szeregowym połączeniem

modeli Hooke'a i St. Venanta, odpo wiada ciałom o

wyraźnej granicy plastyczności.



- parametrowy model Prandtla -

Odquista odpowiada materiałom

sprężysto-plastycznym nie

posiadającym wyraźnej granicy

plastyczności. Jest to model ciała z

liniową konsolidacją mechaniczną.

Właściwości

aerodynamiczne

Wprawdzie właściwości

aerodynamiczne są wyłącznie

związane z geo metrią bryły, ale

właśnie jej kształt zostaje pośrednio i

najczęściej wykorzystywany w

procesie rozdzielania mieszanin w

strumieniu powietrza.

Zakres prędkości krytycznych strumienia

powietrza, przy której następuje

zawieszenie ziarna jest wyznaczony dla

różnych nasion:



Pszenica 8.90 - 11,50 m/s



Żyto 8.35 - 8,80



Jęczmień 8.40 - 10.75



Owies 8,10 - 9.10



groch 15,50 - 17,50



wyka 13.25 - 17.00



koniczyna 6.50 - 7.20

Istnieje możliwość dowolnych

kombinacji przedstawionych modeli

w celu dopasowania ich do

konkretnych wyników badań.

Dotychczas prowadzono niewiele

badań pozwalających na określenie

rodzaju zależności odkształcenia od

naprężenia, a więc i modelu

reologicznego.

Przykład badań I. Polańskiej nad zgniataniem ziaren z

dwoma różnymi prędkościami ruchu stempla wskazuje

na pozorne zwiększenie modułu sprężystości

spowodowane opora mi lepkiego płynięcia. Zjawisko

relaksacji zostało wielokrotnie potwierdzone w ba

daniach nad odkształceniem ciasta pszennego, siana z

koniczyny, grochu. W tym ostatnim przypadku strąki

grochu o wilgotności 18,5°/0 zostały zgniecione siłą ok.

75 kg do objętości 54,5010 objętości pierwotnej. Siła

potrzebna do zachowania tego od kształcenia malała

bardzo prędko i po 2 s wynosiła tylko 45 kg. Zjawisko to

ma bardzo istotne znaczenie w przypadku

projektowania np. pras do słomy lub siana, gdyż

pozwa1a określić czas prasowania niezbędny do

uzyskania założonego zagęszczenia.

Zjawisko lepkiego płynięcia ma również zasadniczy

wpływ na tłumienie drgań przez materiał biologiczny.

Dzięki temu można niejednokrotnie ocenić dojrzałość

owoców, porównać wilgotność odmian lub też ich

jędrność.

Osypywanie

Podatność zbóż na osypywanie bada się metodą

wibracyjną,

mocując kłos na wibratorze o stałej amplitudzie i

częstotliwości oraz określając ilość osypanych ziarn

po określonym czasie działania wibra tora. Drugą,

rzadziej spotykaną metodą jest uderzanie kłosem z

określoną prędkością o stałą przeszkodę. Jest to

metoda bardzo powolna i mało dokładna. Uzyskane

wyniki mają charakter względny i pozwalają jedynie

na porównanie odmian pomiędzy sobą.

Przetrzymanie niektórych odmian zbyt długo na pniu

powoduje nieuchronne straty wskutek osypywania,

sięgające kilkudzie sięciu procent plonu.

Wpływ terminu sprzętu na

osypywanie ziaren(wg B. Szoła)

Ziarna osypane (%)

Gatunek

7 dni po

14 dni po

rośliny

Odmiana

dojrzałość

dojrzałości

dojrzałoś
ci

pełna

pełne

pełnej

Pszenica

Kaukaz

2,9

3,3

ozima

Helenka

13,1

4,5

10,3

Dana

3,8

10,5

11,2

Eka Nowa

2,9

6,6

25,1

Balta

1,1

Paros

5,1

6,3

Promesse

Jęczmień

Lubuski

12,8

8,1

6,1

jary

Piast

6,8

8,8

10,0

Bomi

15,2

12,4

9,8

EIgina

7,5

3,1

7,4

Zyto

Dańkowskie

7,4

2,4

Selekcyjne

Pancerne

1,1

1,0

Przy wilgotności ponad 20% nawet

małe ciśnienie. Powoduje znaczne

uszkodzenie zboża Na podstawie tych

badań można też stwierdzić, że

nadmiernie wysuszone ziarno będzie w

czasie omłotu łamane, zbyt wilgotne

tracić będzie siłę kiełkowania; proces

przechowywania natomiast powinien

przebiegać przy zapełnieniu zbiorników

ziarnem o właściwej wilgotności.

Tarcie

T.Sherwood sformułował, następująco pogląd o sile

tarcia w przypad ku materiałów pochodzenia

roślinnego:

występuje na powierzchni kontaktu pomiędzy

dwoma ciała i przeciwstawia się względnemu

ruchowi tych ciał b) składa się z dwu czynników:

pierwszym jest deformacja nierówności

znajdujących się na powierzchni ciał i zaczepiających

się wzajem nie; drugim są siły adhezji lub kohezji

występujące pomiędzy stykają cymi się ciałami;

jest proporcjonalna do chwilowej powierzchni styku

ciał; .

zależy od prędkości przesuwania się powierzchni;

zależy od rodzaju materiałów będących w kontakcie;

nie zależy od gładkości powierzchni z wyjątkiem

przypadków powierzchni bardzo gładkich i bardzo

nierównych

Tarcie wewnętrzne

Celem pomiaru współczynnika tarcia wewnętrznego

materiałów o cha rakterze nieciągłym (ziarno, łodygi)

stosuje się klasyczną aparaturę uży waną w

mechanice gruntów. Są to aparaty bezpośredniego

ścinania o ruchu prostoliniowym i obrotowym, jak

również aparatury ścinania trój osiowego. Kąt tarcia

wewnętrznego, którego tangens, oznaczony jako

współczynnik tarcia wewnętrznego, powinien

odpowiadać kątowi naturalnej sypkości

ziarna'(kątowi zsy pu), a więc kątowi, jaki utworzy z

poziomą podstawą pobocznica stoż ka utworzonego

na skutek sypania ziarna w jedno miejsce. Kąt zsypu

jest zwykle większy od .kąta tarcia wewnętrznego,

jeden i drugi zależne są od wilgotności.

Wpływ wilgotności na wartość

kąta zsypu i kąta tarcia

wewnętrznego pszenicy

Wilgotność

Kąt zsypu

Kąt tarcia

Wewnętrznego

W (%)

pr (0)

Pw (0)

1,3

29,6

23,5

..11,0

29,3

24,5

14,1

3..0

16,5

17,1

35,6

27,3

19,3

41,0

23,2.

Bibliografia



Kolowca J. 2003 Ocena właściwości

reologicznych wysokouwodnionych

materiałów

roślinnych. Inżynieria

rolnicza Nr 11.6.



Kolowca J., Krzysztofik B. 2003.

Właściwości reologiczne miąższu

bulw wybranych odmian

ziemniaka.

Inżynieria rolnicza Nr 9.

Document Outline