رئولوژی یا روانه شناسی

رئولوژی – علم جریان یا تغییر شکل ماده ، علمی است که کاربرد گسترده‌ای در صنعت غذایی دارد. در بررسی حرکت موادی نظیر آرد برنج و کره بادام زمینی در کارخانه و همچنین کیفیت پخش کره روی نان در واقع از این علم استفاده می‌شود.

این علم جریان و تغییر شکل ماده است و رابطه متقابل نیرو، تغییر شکل و زمان را توصیف می کند. این اصطلاح از یونانی rheos به معنای جاری شدن گرفته شده است. دانش جریان مواد برای همه مواد، از گازها تا جامدات قابل استفاده است. اگر کشاورزان و صنعتگران ما با کمک سیستم تأمین غذایی طبیعی با مبانی این علوم آشنا شوند از استفاده بی رویه از مواد افزودنی برای افزایش کیفیت ظاهری محصولات خود بی‌نیاز خواهند شد.

علم جریان ماده تنها حدود یک قرن سابقه دارد. این علم توسط دو دانشمند که در اواخر دهه 20 ملاقات کردند و متوجه شدند که نیاز مشابهی برای توصیف خواص جریان سیال دارند، بنیان‌گذاری شد. این دانشمندان پروفسور مارکوس راینر و پروفسور یوجین بینگهام بودند.

هراکلیتوس فیلسوف یونانی دانش جریان و تغییر شکل ماده را به عنوان پانتا ری – به معنای همه چیز جریان دارد – توصیف کرد. مارکوس راینر برای این عبارت اصطلاح رئولوژیکی را به کار برد. به این معنی ، که اگر به اندازه کافی صبر کنید، همه چیز جاری خواهد شد. دانش مکانیک سیالات برای توصیف قوام محصولات مختلف، معمولاً توسط دو جزء ویسکوزیته و کشسانی استفاده می شود. منظور از ویسکوزیته معمولاً مقاومت در برابر جریان یا ضخامت و الاستیسیته معمولاً چسبندگی یا ساختار است.

مفاهیم کلیدی رئولوژی (پاسخ ChatGPT)

همانگونه که در مقدمه بیان شد، رئولوژی مطالعه جریان و تغییر شکل ماده است. این علم عمدتاً به رفتار سیالات پیچیده و جامدات نرم می‌پردازد که از قوانین ساده دینامیک سیالات نیوتنی پیروی نمی‌کنند.

رئولوژی بررسی می‌کند که چگونه مواد به نیروهای اعمال شده پاسخ می‌دهند و ویژگی‌های الاستیک (مانند جامد) و ویسکوز (مانند مایع) آن‌ها را شامل می‌شود. این حوزه برای فهم و طراحی مواد با خصوصیات جریان خاص، از جمله پلیمرها، بافت‌های بیولوژیکی، ژل‌ها، خمیرها و سوسپانسیون‌ها اهمیت دارد.

مفاهیم کلیدی در رئولوژی شامل موارد زیر است:

  1. ویسکوزیته: اندازه‌گیری مقاومت یک سیال در برابر جریان. سیالات نیوتنی ویسکوزیته ثابتی دارند، در حالی که سیالات غیر نیوتنی ویسکوزیته‌ای دارند که با نرخ برش تغییر می‌کند.
  2. الاستیسیته: توانایی یک ماده برای بازگشت به شکل اولیه خود پس از تغییر شکل.
  3. تنش برشی و نرخ برش: تنش برشی نیروی وارد شده بر واحد سطح موازی به سطح است، در حالی که نرخ برش نرخ حرکت لایه‌های مجاور سیال نسبت به یکدیگر است.
  4. تیکسوتروپی و رئوپکسی: مواد تیکسوتروپیک با گذشت زمان و تحت تنش برشی کمتر ویسکوز می‌شوند، در حالی که مواد رئوپکسی با گذشت زمان و تحت همان شرایط ویسکوزتر می‌شوند.
  5. تنش تسلیم: سطح تنشی که در زیر آن ماده به عنوان جامد رفتار می‌کند و در بالای آن به عنوان مایع جریان می‌یابد.

رئولوژی در صنایع مختلفی از جمله فرآوری مواد غذایی، لوازم آرایشی، داروسازی و مهندسی مواد برای بهینه‌سازی بافت، پایداری و عملکرد محصولات کاربرد دارد.

طبقه بندی مواد

سیالات به طور معمول بر اساس رفتار جریان خود به سه گروه مختلف تقسیم می شوند:

  • سیالات نیوتنی
  • سیالات غیر نیوتنی، مستقل از زمان
  • سیالات غیر نیوتنی، وابسته به زمان
نمودار جریان یافتن مواد
نمودار جریان و تغییر شکل مواد

منحنی‌های جریان معمولاً برای توصیف گرافیکی رفتار جریان استفاده می‌شوند.

ویسکوزیته سینماتیکی و دینامیکی

ویسکوزیته سینماتیکی با ابزارهای سینماتیکی اندازه گیری می شود، معمولاً انواع مختلف ظروفی شبیه فنجان‌ها، – که امکان کنترل نرخ برش در آنها محدود است یا وجود ندارد – برای این کار مناسب هستند. بنابراین محاسبه مقادیر ویسکوزیته سینماتیکی سیالات غیر نیوتنی کاربرد کمی دارند یا اصلاً کاربرد ندارند. ویسکوزیته دینامیکی تأثیر نرخ برش و زمان را در نظر می گیرد و بنابراین تنها نوع ویسکوزیته مناسب برای سیالات غیر نیوتنی است. ویسکوزیته دینامیکی با ابزارهای دینامیکی، چرخشی (برشی) یا نوسانی اندازه گیری می شود. ابزاری که فقط قادر به اندازه گیری ویسکوزیته برشی باشد ویسکومتر و نوع نوسانی آن رئومتر نامیده می شود.

معادلات اساسی پایه

مدل های مختلفی برای تقریب داده های رئولوژیکی ارائه شده است. یکی از پرکاربردترین مدل‌ها، قانون قدرت برای محاسبه تقریبی داده‌های ویسکوزیته است. دلیل اصلی محبوبیت قانون توان این است که رفتار رئولوژیکی برشی یک سیال به سادگی با یک خط مستقیم در نمودار نرخ برشی/تنش برشی log-log نشان داده می‌شود. دلیل دیگر این است که رفتار برشی بیشتر سیالات با استفاده از قانون توان به تقریب خوبی قابل اندازه گیری است.

فرمول رئولوژی
فرمولهای رئولوژی

ویسکوالاستیسیته

همه مواد، از گازها گرفته تا جامدات، را می توان به سه دسته زیر –  از بعد رفتار رئولوژیکی – تقسیم کرد:

  • مواد چسبناک یا ویسکوز: در یک ماده کاملاً چسبناک، تمام انرژی اضافه شده به گرما تلف می شود
  • مواد الاستیک: در یک ماده کاملاً الاستیک، تمام انرژی اضافه شده در ماده ذخیره می شود
  • مواد ویسکوالاستیک: یک ماده ویسکوالاستیک رفتار ویسکوز و همچنین الاستیک از خود نشان می دهد.

نمونه‌هایی از مواد ویسکوالاستیک خمیر نان، مذاب‌های پلیمری و ژل‌های مصنوعی یا طبیعی هستند.

نکته: در مفهوم رئولوژیکی ، آب یک سیال ” چسبناک ” است. اما به طور معمول، اصطلاح “ویسکوز” برای سیالات با ویسکوزیته بالا استفاده می شود. در بیشتر موارد رفتار ویسکوالاستیک، ضریب زمان تأثیر قابل توجهی بر خواص جریان مشاهده شده دارد. اندازه گیری تأثیر زمان به اصطلاح عدد دبورا، D است:

D =  (زمان پاسخ) /  (زمان مشاهده)

نمونه ای از سیستمی که دارای عدد دبورا بزرگ است، یک پنجره شیشه ای معمولی است. اگر به اندازه کافی بزرگ باشد، به عنوان مثال. یک پنجره قدیمی کلیسا، تفاوت ضخامت در بالا و پایین را می توان به راحتی اندازه گیری کرد. گرچه ویسکوزیته شیشه بالا است، حدود 1040 پویز، اما همچنان مایع است و در نتیجه جریان دارد. با این حال، زمان مشاهده باید طولانی، شاید چند قرن، برای مشاهده حرکت باشد.

هنگام برش یک سیال ویسکوالاستیک به اصطلاح تنش های معمولی ظاهر می شود. این تنش های معمولی می توانند منجر به رفتار جریان کاملاً متفاوت از سیالات نیوتنی شوند.

اندازه‌گیری ویسکوزیته و الاستیسیته

اندازه‌گیری‌های رئولوژیکی معمولاً در ابزارهای سینماتیکی انجام می‌شوند تا نتایج کمی مفیدی برای طراحی و توسعه محصولات و تجهیزات فرآیندی به دست آید. برای طراحی محصولات، مثلاً در صنایع غذایی، آرایشی یا رنگ، اندازه‌گیری‌های رئومتریک اغلب برای تعیین خواص الاستیک مانند استحکام ژل و مقدار تسلیم انجام می‌شود که هر دو پارامترهای مهمی هستند که بر قابلیت حمل ذرات و پخش‌پذیری تأثیر می‌گذارند. برای طراحی تجهیزات فرآیندی، خواص محصول در حین برش از اهمیت بالایی برخوردار است. این خواص در یک اندازه‌گیری ویسکوزیته معمولی تعیین می‌شوند.

یک اندازه‌گیری رئومتریک معمولاً شامل یک تحلیل تغییر شکل (کرنش) یا تحلیل تنش در یک فرکانس ثابت (معمولاً 1 هرتز) به همراه یک تحلیل فرکانس، مثلاً بین 0.1 و 100 هرتز، می‌باشد. اسکن کرنش اطلاعاتی درباره مدول الاستیک G’، مدول ویسکوز G” و زاویه فاز δ ارائه می‌دهد. مقدار بزرگ G’ در مقایسه با G” نشان‌دهنده خواص الاستیک برجسته (ژل) محصول مورد تحلیل است. برای چنین محصولی، زاویه فاز نیز کوچک است، مثلاً 20 درجه (زاویه فاز 0 درجه به معنای ماده‌ای کاملاً الاستیک و زاویه فاز 90 درجه به معنای ماده‌ای کاملاً ویسکوز است). اسکن فرکانس اطلاعاتی درباره استحکام ژل ارائه می‌دهد، جایی که شیب بزرگ منحنی G’ نشان‌دهنده استحکام کم و شیب کوچک نشان‌دهنده استحکام بالا است.

اندازه گیری پارامترهای رئولوژیک
اندازه گیری پارامترهای رئولوژیک
G* = Stress*/Strain
G* = G’ + iG”

یک اندازه‌گیری ویسکومتریک معمولاً شامل تحلیل نرخ برش است. اسکن نرخ برش ترجیحاً باید محدوده‌ای را که در تجهیزات مورد نظر اعمال می‌شود، پوشش دهد. برای مواد غذایی مایع، یک محدوده نرخ برش از حدود 1 تا 1000 برش بر ثانیه‌ نیازهای یک محصول با ویسکوزیته کم مانند شیر یا آبمیوه را پوشش می‌دهد و یک محدوده نرخ برش از حدود 1 تا 100 برش بر ثانیه‌ نیازهای یک محصول با ویسکوزیته بالا مانند رب گوجه فرنگی یا کوارک (نوعی پنیر خیلی نرم) را پوشش می‌دهد.

در زیر تعدادی مثال از اندازه‌گیری‌ها بر روی برخی محصولات لبنی تخمیری آورده شده است. خامه تخمیری دارای محتوای چربی حدود 35% است، شیر تخمیری “نوع 1” دارای محتوای چربی 0.5% و شیر تخمیری “نوع 2” دارای محتوای چربی 1.5% است. توجه داشته باشید که با وجود تفاوت قابل توجه در مدول الاستیک G’ بین دو نوع شیر تخمیری، منحنی‌های ویسکوزیته تقریباً یکسان هستند.

نتیجه عملی این است که وقتی این دو محصول در یک فنجان قرار می‌گیرند، شیر تخمیری “نوع 2” به نظر می‌رسد ویسکوزیته بالاتری نسبت به شیر “نوع 1” دارد، اما وقتی تحت برش قرار می‌گیرند، مثلاً وقتی از طریق یک لوله پمپ می‌شوند، افت فشار برای هر دو محصول تقریباً یکسان خواهد بود. آنچه در “تحلیل فنجان” مشاهده می‌شود در واقع خواص الاستیک بیشتر شیر “نوع 2” است که تصور ویسکوزیته بالاتر را ایجاد می‌کند.

برای ماست، درجه قابل توجهی از تیکسوتروپی را می‌توان مشاهده کرد، به این صورت که “منحنی بالا”، یعنی منحنی‌ای که هنگام افزایش نرخ برش از صفر به بالا به دست می‌آید، بالاتر از “منحنی پایین”، یعنی منحنی‌ای که هنگام بازگشت نرخ برش به صفر به دست می‌آید، قرار می‌گیرد. برای مقایسه درجه رفتار تیکسوتروپیک، فاصله یا مساحت بین دو منحنی را می‌توان محاسبه کرد و این کار را می‌توان بر روی منحنی‌های تنش برشی یا منحنی‌های ویسکوزیته ظاهری اعمال کرد.

جریان و تغییر شکل مواد غذایی که به فرم کرم، خمیر، کره هستند، از اهمیت بیشتری برخوردار است.
پارامتر های مختلفی در حرکت و تغییر شکل موادغذایی نظیر کره بادام زمینی و آرد برنج ،رب ، بستنی و بسیاری از موادی که حرکت غیر نیوتونی دارند مورد توجه هستند.

منابع: