Tính chất lưu biến của thực phẩm

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ
CHÍ MINH
-----o0o----

HỌC PHẦN: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU THỰC PHẨM
ĐỀ TÀI: TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM
Giảng viên hướng dẫn:
Nguyễn Thị Thu Hiền

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8 NĂM 2021


Mục Lục


Bảng Đánh Giá
Nhiệm vụ được giao

Mức độ
hoàn thành

Dịch tài liệu
Hỗ trợ làm Word–PowerPoint
Thuyết trình

100%

Dịch tài liệu
Hỗ trợ làm Word - PowerPoint

100%

Dịch tài liệu

100%

Làm Word
Hỗ trợ PowerPoint
Dịch tài liệu

100%

Hỗ trợ làm Word-PowerPoint
Thuyết trình
Dịch tài liệu
Làm PowerPoint
Hỗ trợ Word

100%


CHƯƠNG: LƯU BIẾN THỰC PHẨM
1. Sơ Lược Về Lưu Biến
Trong chương này, các đặc tính lưu biến của thực phẩm sẽ được thảo luận, tập
trung vào các nguyên tắc của hoạt động và sự biến dạng của hệ thống thực phẩm.
Các nguyên tắc của phương pháp đo độ nhớt và kết cấu và các thiết bị được sử
dụng trong các phương pháp này được giải thích chi tiết. Ngồi ra, các mơ hình
được sử dụng để hiểu tính chất lưu biến của nguyên liệu thực phẩm cũng được thảo
luận.
Các đặc tính lưu biến được gọi là các đặc tính cơ học dẫn đến biến dạng và

biến dạng của vật liệu khi có ứng suất. Độ nhớt là khơng đổi và không phụ thuộc
vào tốc độ trượt trong chất lỏng Newton. Đối với quá trình làm mỏng do trượt, độ
nhớt của chất lỏng giảm khi tốc độ trượt tăng trong khi đối với quá trình làm dày do
trượt, độ nhớt của chất lỏng tăng khi tốc độ trượt tăng. Ứng suất chảy là bắt buộc
đối với nhựa UidstoFlow. Phụ thuộc vào thời gian, thay đổi độ nhớt với thời gian.
Thực phẩm có cả thành phần đàn hồi và nhớt được gọi là thực phẩm dẻo. Vật liệu
đàn hồi có thể được xác định bằng thử nghiệm giãn ứng suất, thử nghiệm độ rão và
thử nghiệm động lực học. Mơ hình Maxwell được sử dụng để giải thích sự thư giãn
căng thẳng của chất lỏng nhớt dẻo. Trong mơ hình Maxwell, lị xo và bảng điều
khiển được kết nối theo chuỗi. Mô hình Kelvin-Voigt được sử dụng để mơ tả hành
vi leo thang có chứa một lị xo và một dấu gạch ngang được kết nối song song. Một
loạt các kết hợp giữa mơ hình Kelvin và Maxwell được gọi là mơ hình Burger.
Kết cấu của nguyên liệu thực phẩm bao gồm các đặc tính như độ cứng, độ dẻo,
độ dính, độ kết dính, độ dễ gãy, độ đàn hồi và độ dai có thể được xác định bằng
cách sử dụng máy phân tích kết cấu. Q trình lưu biến của bột có thể được nghiên
cứu bằng cách sử dụng farinograph mixograph, Extensograph và alveograph để
kiểm tra chất lượng của thực phẩm.

4


2. Khái Niệm Lưu Biến
Lưu biến là ngành khoa học nghiên cứu sự biến dạng của vật liệu dưới tác động
của ngoại lực lên vật chất có gồm hai loại biến dạng của chất rắn và chất lỏng. Các
thông số lưu biến dùng trong đánh giá chất lượng sản phẩm, tính tốn kỹ thuật và
thiết kế thiết bị. Hiểu rõ biểu hiện lưu chất sẽ giúp cho xác định kích thước bơm,
đường ống và năng lượng yêu cầu. Các model lưu biến được thu nhận từ phương
pháp thực nghiệp sẽ giúp ích cho thiết kế chế tạo các thiết bị chế biến thực phẩm
cùng với momentum, cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất. Cần phải hiểu rõ
vai trò của lưu biến của các lưu chất trong kiểm soát quá trình. Các dạng lưu biến

được biểu diễn ở Hình 1.

Hình 1. Các dạng lưu biến

3. Dịng Chảy Của Lưu Chất
3.1. Định Luật Newton
Giả sử một dòng lưu chất chảy giữa hai bản mỏng đặt song song có diện tích A
và đặt cách nhau một khoảng rất nhỏ là Y. Khi chưa có sự chuyển động của lưu
5


chất t=0, tấm phẳng dưới chuyển động theo hướng z với vận tốc không đổi V dưới
tác Lưu động của lực F theo hướng z. Tấm phẳng trên giữ cố định. Tại thời điểm t

=0, tốc độ bằng không ( hình 2).
Hình 2. Dịng Newton giữa hai tấm mỏng
Kết quả thực nghiệm cho thấy lực cần thiết để duy trình chuyển động
của chất lỏng ở tấm dưới trên một đơn vị diện tích tỷ lệ thuận với biến thiên tốc
độ và tỷ lệ này là hằng số gọi là độ nhớt của lưu chất:

(1)
Định luật Newton viết ở dạng phương trình vi phân:
(2)

Trong đó:
= ứng suất trượt (N/m2)
µ = độ nhớt (Pa·s)
tốc độ trượt (1/s)
Ứng suất trượtvà tốc độ trượt có hai chỉ số: z biểu thị hướng của lực và y
biểu thị hướng pháp tuyến của bề mặt mà lực tác động lên. Dấu âm được đưa

6


vào phương trình vì gradien vận tốc là âm, tức là vận tốc giảm theo hướng
truyền động lượng.
Ví dụ 1: Hai bản cực song song cách nhau 0,1 m. Tấm dưới đứng yên còn tấm trên
chuyển động với vận tốc V. Chất lỏng giữa các tấm là nước, có độ nhớt 1 cp.
a)

Tính động lượng cần thiết của chất lỏng để duy trì đĩa trên cùng chuyển động

b)

với vận tốc 0,30 m / s.
Nếu thay nước bằng một chất lỏng khác có độ nhớt 100 cp và động lượng của
chất lỏng khơng đổi. Tìm vận tốc của tấm trên cùng.

Giải:
a). µw =1 cp=1×10−3 Pa·s
Định luật độ nhớt của Newton được s dng xỏc nh:

(2)

= à
= 1ì103 PaÃs = 0.003 Pa

Hình 3. Hình Minh Họa ví dụ 1
b). ) µ =100 cp=0.1 Pa ·s
0.003= − 0.1Pa·s ⇒ V =0.003m/s
Độ nhớt được coi là lực cản của một vật thể đối với lưu lượng. Đơn vị của độ nhớt

động lực là (Pa · s) trong hệ SI và poise (g / cm · s) trong hệ CGS. Độ nhớt khác với
nhiệt độ, nhiệt độ khác biệt Độ nhớt của hầu hết các chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng.
Các lý thuyết đã được đề xuất liên quan đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt của
chất lỏng. Theo lý thuyết Eyring, có những chỗ trống trong chất lỏng (Bird, Stewart,
& Lightfoot, 1960). Các phân tử liên tục di chuyển vào những chỗ trống này. Q
trình này cho phép dịng chảy nhưng có sự sai sót. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ
nhớt có thể được mơ tả bằng một phương trình kiểu Arrhenius:

(3)
7


Trong đó :
= Năng lượng hoạt hóa (J / kg mol)
R = Hằng số khí (8314,34 J / kg mol K)
T = Nhiệt độ tuyệt đối (K)
= Hằng số (Pa · s)
Các phân tử chất lỏng nằm gần nhau với lực kết dính mạnh mẽ giữa
chúng. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ nhớt cũng có thể được giải thích bằng lực
kết dính giữa các phân tử (Munson, Young, & Okiishi, 1994). Khi nhiệt độ
tăng, các lực kết dính này giữa các phân tử giảm đi và trở nên tự do hơn. Kết
quả là, độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng. Trong chất lỏng, lực liên
kết (liên kết) giữa các phân tử đóng một vai trị quan trọng. Độ nhớt của chất
lỏng cho thấy ít phụ thuộc vào mật độ, vận tốc phân tử, hoặc đường đi tự do
trung bình.
Trong hầu hết các chất lỏng, độ nhớt không đổi cho đến áp suất 10.134
MPa, nhưng ở áp suất cao hơn độ nhớt tăng khi áp suất tăng.
Trong chất khí, trái ngược với chất lỏng, các phân tử có khoảng cách
rộng và lực giữa các phân tử là khơng đáng kể. Trong hầu hết các chất khí, độ
nhớt tăng khi nhiệt độ tăng, điều này có thể được biểu thị bằng lý thuyết động

học. Phân tích đầu tiên của độ nhớt bằng lý thuyết động học được thực hiện bởi
Maxwell vào năm 1860 (Loeb, 1965). Lực cản đối với chuyển động tương đối
là kết quả của sự trao đổi động lượng của các phân tử khí giữa các lớp lân cận.
độ nhớt. Một cuộc thảo luận chi tiết hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt
của fl uids có thể được tìm thấy trong Loeb (1965) và Reid, Prausnitz, và
Sherwood (1977).
Xét một chất khí tinh khiết gồm các phân tử hình cầu cứng, khơng hút
có đường kính d và khối lượng m, có nồng độ N phân tử trên một đơn vị thể
tích. Coi N đủ nhỏ để khoảng cách trung bình giữa các phân tử gấp nhiều lần
đường kính của chúng. Theo lý thuyết động học, giả thiết rằng một phân tử
trung bình đi qua một khoảng cách bằng với đường tự do trung bình giữa các
tác động.

8


Nếu đường dẫn tự do có nghĩa là , người ta có thể coi chiều dài của
đường dẫn này là độ dày của lớp khí mà ở đó xảy ra phản ứng nhớt. Ở hai mặt
của một lớp khí có bề dày là, sự khác biệt của vận tốc truyền trong chất khí
được biểu thị bằng , đối với gradien vận tốc pháp tuyến đối với chuyển động
của chất khí, . Các phân tử đi từ lớp trên xuống lớp dưới mang một động lượng
thừa là từ phía trên xuống phía dưới. Có thể nói rằng trung bình một phần ba
số phân tử đang chuyển động với đường đi lên hoặc đi xuống. Như vậy, số
phân tử có tốc độ (c) đi lên hoặc đi xuống trên một đơn vị diện tích trong một
giây sẽ bằng một phần ba Nc. Động lượng được chuyển qua lớp này lên và
xuống bởi các phân tử có thể được biểu thị bằng:
F=

(4)

Từ định luật độ nhớt của Newton:
(5)
Từ Eqs. (4) và (5)
(6)
Đường dẫn tự do trung bình được cho bởi phương trình sau:
(7)
Thế (7) vào (6) ta có:
(8)
Theo thuyết động học, vận tốc phân tử so với vận tốc chất lỏng có độ lớn trung
bình được cho bởi phương trình sau:
(9)
Trong đó,
NA là số Avogadro,
m là khối lượng của phân tử,
R là hằng số khí
T là nhiệt độ tuyệt đối. Vì vậy,
9


(10)
trong đó K là hằng số Boltzmann (K = R / NA)
Phương trình (7) dự đốn rằng độ nhớt sẽ tăng theo căn bậc hai của nhiệt
độ. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhớt tăng nhanh hơn theo nhiệt độ (Loeb,
1965). Các chất khí có giá trị độ nhớt thấp nhất. Độ nhớt của chất khí khơng
đổi đến áp suất 1 MPa nhưng tăng khi áp suất tăng trên mức này.
Độ khuếch tán động lượng hoặc độ nhớt động học, có cùng đơn vị với
độ khuếch tán nhiệt (α = k / ρ cp) trong truyền nhiệt và khuếch tán khối (D AB)
trong truyền khối, được xác định để làm cho các đặc tính vận chuyển là tương
tự. Đơn vị của nó là m 2 / s trong SI và stoke (cm 2 / s) trong CGS. Nó là tỷ số
giữa độ nhớt động lực và tỷ trọng của chất lỏng.

Cơng thức:
(11)

Hình 4. Độ dốc của ứng suất trượtso với đồ thị tốc độ trượt không phải là hằng số
đối với chất lỏng không Newton.
3.2. Độ Nhớt Chất Lỏng
Chất lỏng nhớt có xu hướng biến dạng liên tục dưới tác dụng của một ứng suất.
Chúng có thể được phân loại là chất lỏng Newton hoặc không Newton.
3.2.1. Chất Lỏng Newton
Chất lỏng tuân theo định luật độ nhớt của Newton (Công thức 2) được gọi
là chất lỏng Newton. Phạm vi của đồ thị ứng suất trượtso với tốc độ trượt, là độ
10


nhớt, là hằng số và không phụ thuộc vào tốc độ trượt trong chất lỏng Newton
(Công thức 3 và 4). Các chất khí; các loại dầu; nước; và hầu hết các chất lỏng
chứa hơn 90% là nước như trà, cà phê, bia, đồ uống có ga, nước ép trái cây và
sữa cho thấy đều chất lỏng Newton.
3.2.2. Chất Lỏng Phi NewTon
Chất lỏng không tuân theo định luật Newton (công thức 2) gọi là chất lỏng
phi Newton (Non-Newtonian). Chất lỏng Non-Newton tn theo phương trình
hàm số mũ (Ostwald-de Waele equation) cơng thức:
(12)
Trong đó:
k = hệ số độ sệt (Pa·sn)
n = số biểu diện dạng dòng lưu chất
Chất lỏng trượt mỏng (pseudoplastic) n < 1
Chất lỏng trượt dày n > 1
Chất lỏng Newton được coi là trường hợp đặc biệt trong đó n = 1 và k = µ
Độ nhớt biểu kiến ký hiệu là η để phân biệt với độ nhớt chất lỏng nguyên

chất Newton ký hiệu là µ. Độ nhớt biểu kiến tương ứng với tốc độ trượt sẽ
được biểu diễn qua cơng thức sau:
(13)
Trong đó theo cơng thức (12):
(14)

Độ nhớt biểu kiến η sẽ là:
(15)
(a) Chất lỏng trượt mỏng (pseudoplastic)

11


Tăng tốc độ trượt thì các ma sát giữa các lớp giảm. Các sản phẩm trái
cây và rau quả như nước sốt táo, purree chuối nước trái cây cô đặc,... là những
ví dụ về dạng lỏng pseudoplastic trong thực phẩm
(b) Chất lỏng trượt dày (Shear Thickening Fluids)
Chất lỏng khi tăng tốc độ trượt thì độ nhớt biểu kiến tăng. Một số ví dụ
về dạng chất lỏng này là các dịch tinh bột ngơ, các tinh bột biến tính
(waxymaize, waxyrice, waxybarley, waxypotato, wheat, rice, maize). Thành
phần amylopectin ảnh hưởng đến thuộc tính trượt dày của dịng lưu chất. Khi
tăng độ nhớt thì thể tích tăng lên, những chất lỏng trượt dày loại này gọi là
dòng dilant. Tất các các chất lỏng dilatant đều là chất lỏng trượt dày, nhưng
khơng phải tồn bộ chất lỏng trượt dày là dạng dilatant.
3.2.3. Các chất lỏng dẻo (Plastic Fluids)
3.2.3.1.

Chất lỏng dẻo Bingham (Bingham Plastic Fluids)

Những loại chất lỏng chỉ xuất hiện dòng giống dòng Newton khi tốc độ

trượt lớn hơn ứng suất chảy (τ 0) thì gọi là chất lỏng dẻo Bingham. Thuốc đánh
răng là một ví dụ điển hình của chất lỏng dẻo Bingham. Khi có tác động một
lực đủ lớn hơn (τ0) thì thuốc đánh răng bắt đầu chảy. Trong thực phẩm,
mayonnaise, sốt cà chua đặc, ketchup là những ví dụ tiêu biểu của chất lỏng
dẻo Bingham. Công thức (15) biểu diễn dạng dòng chất lỏng dẻo Bingham.
(16)
Độ nhớt biểu kiến () của chất lỏng dẻo Bingham được xác định qua tốc độ
trượt tương ứng:
(17)
3.2.3.2.

Chất lỏng dẻo non-Bingham (Non-Bingham Plastic Fluids)

Những loại chất lỏng chỉ xuất hiện dòng chảy khi tốc độ trượt lớn hơn ứng
suất chảy (τ0) ngoài ra tốc độ trượt và ứng suất trượt là khơng tuyến tính.
Những loại chất lỏng đó cũng có thể là chất lỏng trượt mỏng hoặc chất lỏng
12


trượt dày có ứng suất chảy. Phương trình mơ hình Herschel-Bulkley [18] mơ tả
dịng chất lỏng dẻo nonBingham có ứng suất chảy (τ0) ở dạng hàm mũ:
(18)
Trong thực phẩm, một số loại sốt như sốt cá nghiền và sốt nho tn theo mơ
hình Herschel-Bulkley. Bột gạo dùng trong các sản phẩm rán cũng tn theo
mơ hình Herschel-Bulkley [19].
Mơ hình Casson [20] được mơ tả như sau:

Socơla sữa nóng chảy tn theo mơ hình Casson. Khi nghiên cứu ảnh
hưởng của sự phân bố kích thước hạt rắn khơng béo lên đặc tính dịng chảy
trong soccola sữa nóng chảy cho thấy giá trị ứng suất chảy Casson là tương

quan với đường kính và diện tích bề riêng phần của các chất rắn khơng béo
[21]. Chất lỏng có tốc độ trượt khơng đổi, nhưng lại trở nên đặc hơn hoặc loãng
hơn theo thời gian Chất lỏng giảm dần ứng suất trượt và độ nhớt biểu kiến phụ
thuộc vào thời gian khi cố định tốc độ trượt gọi là chất lỏng thixotropic (chất
lỏng loãng dần theo thời gian). Chất lỏng đặc dần là chất lỏng có ứng suất trượt
và độ nhớt biểu kiến tăng đàn theo thời gian, có nghĩa cầu trúc của chất lỏng
chuyển dần từ dạng lỏng sang dạng sệt dần. Các thiết bị đo độ nhớt thông
thường bao gồm: thiết bị đo độ nhớt mao dẫn, nhớt kế kiểu lỗ, thiết bị đo độ
nhớt viên bi rơi, thiết bị đo độ nhớt quay.
3.2.4. Thời gian phụ thuộc (Time Dependency)
Khi một số chất lỏng chịu tốc độ trượt không đổi, chúng trở nên mỏng hơn
(hoặc dày hơn) theo thời gian (Hình 2.5). Chất lỏng thể hiện ứng suất trượtgiảm
và độ nhớt biểu kiến theo thời gian với tốc độ trượt giảm được gọi là chất lỏng
thixotropic (mỏng dần theo thời gian). Hiện tượng này có thể là do sự phá vỡ
cấu trúc của vật liệu khi quá trình trượt tiếp tục diễn ra. Gelatin, lịng trắng
trứng và chất rút ngắn có thể được lấy làm ví dụ về loại chất lỏng này.

13


Hình 5. Quá Trình Phụ Thuộc Vào Thời Gian Của Chất Lỏng
Q trình thịxotropic có thể đảo ngược một phần hoặc không thể đảo
ngược khi shearis được áp dụng bị loại bỏ (chất lỏng được phép ở trạng thái
nghỉ). Thixotropy không thể đảo ngược được gọi là điều chỉnh lưu biến hoặc sự
khử lưu biến (Hình 6).
Quá trình thịxotropic của một sản phẩm có thể được nghiên cứu bằng
cách tăng ứng suất trượthoặc tốc độ trượt sau đó giảm. Nếu ứng suất trượtđược
đo dưới dạng một hàm của tốc độ trượt, khi tốc độ trượt tăng lên lần đầu và sau
đó giảm xuống, một vịng lặp trễ sẽ được quan sát trong đường cong ứng suất
trượtso với tốc độ trượt (Hình 7), trong khi bột nhão được xử lý ở 75◦ Được xử

lý giống như một chất lỏng lưu biến. Người ta lưu ý rằng sự thuận chiều xảy ra
ở ứng suất trượtcao (trên 50Pa), và sự lưu biến xảy ra ở ứng suất trượtthấp
(dưới 45Pa). Khi protein đậu nành được thêm vào nước ép cà chua, quá trình
thixotropic được quan sát ở tốc độ trượt thấp nhưng sau đó là sự chuyển đổi
sang hành vi lưu biến ở tốc độ trượt cao hơn (Tiziani & Vodovotz, 2005).
Isikli và Karababa (2005) gần đây đã chỉ ra rằng bột cỏ cà ri, một loại
thực phẩm địa phương ở Thổ Nhĩ Kỳ, thể hiện hành vi tu từ học.

14


Hình 6. Quá Trình Thịxotropic Được Quan Sát Trong Các Đường Cong Phân Rã MơMen Xoắn

Hình 7. Ứng suất trượtSo Với Đường Cong Tốc Độ Trượt Cho Thấy Độ Trễ
3.2.5. Độ nhớt của dung dịch
Trong trường hợp dung dịch, nhũ tương hoặc huyền phù, độ nhớt thường
được đo bằng phương pháp so sánh, nghĩa là độ nhớt của dung dịch, nhũ tương
hoặc huyền phù được so sánh với độ nhớt của dung môi nguyên chất. Độ nhớt
của dung dịch rất hữu ích trong việc tìm hiểu hoạt động của một số chất tạo
màng sinh học bao gồm dung dịch nước của kẹo cao su đậu châu chấu, kẹo cao
su guar và cacboxymethyl cellulose (Rao, 1986).
Độ nhớt của dung môi tinh khiết và huyền phù có thể được đo và các giá
trị khác nhau có thể được tính tốn từ dữ liệu kết quả. Độ nhớt tương đối, η rel
được biểu thị bằng:
(19)

Trong đó:
: Phần thể tích bị chiếm bởi pha phân tán
K : Hằng số
15

Độ nhớt cụ thể, là:
Độ nhớt

(20)
giảm, là:
(21)

Trong đó C là nồng độ khối lượng của dung dịch tính bằng g / 100 mL.
Độ nhớt vốn có, là:
(22)
Độ nhớt bên trong , có thể được xác định từ dữ liệu độ nhớt dung dịch loãng:
(23)

Trong dung dịch loãng, các chuỗi polyme là riêng biệt và độ nhớt nội tại của
polyme trong dung dịch chỉ phụ thuộc vào kích thước của chuỗi polyme (Rao, 1999).
Độ nhớt nội tại của các dung dịch protein khác nhau đã được Rha và Pradipasera
(1986) tóm tắt. Các phương trình thường được sử dụng để xác định độ nhớt nội tại của
gơm thực phẩm là phương trình Huggins (2,24) và Kramer (2,25) (Rao, 1999):
Trong đó k1 và
k2 lần lượt là các hằng
số Huggins và Kramer và chúng có liên quan về mặt lý thuyết là:
k1 =k2 +0.5

(2.26)

4. Sự Biến Dạng Của Vật Liệu
Điều quan trọng là phải thảo luận kỹ lưỡng về ứng suất và độ biến dạng để hiểu
được tính lưu biến của thực phẩm. Ứng suất được gọi là lực trên một đơn vị diện tích.

Nó thường được biểu thị bằng Pa (N/m 2). Ứng suất có thể được phân loại thành hai
nhóm: ứng suất pháp tuyến và ứng suất trượt. Sự khác biệt giữa hai ứng suất này phụ
thuộc vào diện tích mà lực tác dụng. Ứng suất pháp tuyến (σ) được gọi là lực tác dụng
vng góc với mặt phẳng trên một đơn vị diện tích. Áp lực là một ví dụ của căng
thẳng bình thường. Ứng suất pháp tuyến có thể kéo hoặc nén tùy thuộc vào nó có tác
16


động lên bề mặt vật chất hay khơng (Hình 8.a). Ứng suất trượt(τ) được gọi là lực tác
dụng song song với mặt phẳng trên một đơn vị diện tích.(Hình 8.b).
Độ biến dạng là sự thay đổi đơn vị về kích thước hoặc hình dạng của vật liệu so
với kích thước hoặc hình dạng ban đầu của nó khi một lực tác dụng.
Cơng thức tính độ biến dạng:
Độ biến dạng =

Hình 8. (a) Ứng suất thường kéo và nén; (b) ứng suất trượt.
Độ biến dạng cũng giống như ứng suất, có thể được phân loại thành hai nhóm:
biến dạng pháp tuyến và biến dạng trượt. Biến dạng pháp tuyế (ε) là sự thay đổi chiều
dài trên một đơn vị chiều dài theo hướng của ứng suất pháp tuyến tác dụng:

ε=

(2,78)

Biến dạng trượt (γ) được gọi là sự thay đổi góc hình thành giữa hai mặt phẳng
trực giao với nhau trước khi biến dạng do tác dụng của ứng suất (Hình 2bb):
γ = tan θ =

(2.79)

Các ứng suất và biến dạng cũng có thể được mơ tả là giãn nở hoặc lệch lạc.
Ứng suất hoặc biến dạng giãn nở gây ra sự thay đổi về thể tích trong khi ứng suất hoặc
biến dạng lệch là dẫn đến thay đổi hình dạng. hình dạng của một mẫu trong khi gây ra
những thay đổi khơng đáng kể về thể tích, được gọi là lệch lạc. Sự giãn nở có thể được
tính tốn từ thể tích ban đầu (V0) và cuối cùng (Vf) của mẫu:
17


(2.80)

Sự giãn nở =

Hình 9. Đường cong ứng suất-biến dạng để nén nguyên liệu thực phẩm.
Đường cong ứng suất-biến dạng khi nén mẫu thực phẩm tương tự như được thể
hiện trong Hình 9. Thay đổi biến dạng như một hàm của ứng suất trong q trình tải
và dỡ hàng có thể được nhìn thấy trong hình. Ứng suất khơng được phục hồi trong quá
trình dỡ tải được gọi là biến dạng dẻo, trong khi biến dạng được phục hồi được gọi là
biến dạng đàn hồi. Tỷ số giữa biến dạng dẻo trên tổng biến dạng khi vật liệu được tải
đến một tải trọng nhất định và sau đó khơng tải được gọi là mức độ dẻo. Tương tự, tỷ
số giữa biến dạng đàn hồi trên tổng biến dạng được tính bằng mức độ đàn hồi. Khi tác
dụng một ứng suất lên một vật rắn hồn tồn đàn hồi, nó sẽ biến dạng hồn tồn
nhưng sau đó nó sẽ trở lại vị trí ban đầu sau khi ứng suất được loại bỏ. Vật liệu thể
hiện hành vi đàn hồi được gọi là chất rắn Hookean.
Các thực phẩm tuân theo luật Hookean là bánh mì khơ, vỏ trứng và kẹo cứng
khi có các chủng nhỏ (ví dụ: <0,01) (Steffe, 1996). Các biến dạng lớn tạo ra sự đứt
gãy giòn hoặc hành vi phi tuyến tính. Đối với vật rắn Newton, tất cả năng lượng đầu
vào cần thiết để tạo ra nó ở một tốc độ nhất định sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong
khi đối với vật rắn Hookean, năng lượng cần thiết để biến dạng được lưu trữ dưới
dạng thế năng có thể phục hồi hồn tồn.
Mật độ năng lượng biến dạng tại một biến dạng nhất định là diện tích dưới

đường cong tải trong đường cong ứng suất-biến dạng. Diện tích dưới đường cong
18


khơng tải được gọi là khả năng phục hồi. Đó là năng lượng trên một đơn vị thể tích
được phục hồi khi lực tác động ra khỏi mẫu. Khả năng phục hồi càng lớn thì năng
lượng hồi phục càng nhiều. Sự khác biệt giữa mật độ năng lượng biến dạng và khả
năng phục hồi được gọi là độ trễ. Tỷ số giữa ứng suất và biến dạng được gọi là môđun
trong khi tỷ số giữa ứng suất trên ứng suất được gọi là sự tuân thủ. Các loại moduli
khác nhau được xác định đối với chất rắn Hookean.
Mô-đun của Young hay Môđun đàn hồi (E) được gọi là tỷ số giữa ứng suất
bình thường (σ) với biến dạng kéo hoặc nén bình thường (ε).

Trong trường hợp vật liệu thực phẩm, mô đun đàn hồi biểu kiến được sử dụng
để liên hệ ứng suất với biến dạng vì đường cong ứng suất-biến dạng khơng tuyến tính
và khơng thu được giá trị E đơn lẻ nào. Nó có thể được xác định bằng cách sử dụng
định nghĩa tiếp tuyến hoặc tiếp tuyến (Hình.9). Theo định nghĩa cụ thể, mơđun đàn hồi
biểu kiến là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng tại một điểm (A) cho trước. Trong biểu
thức tiếp tuyến, nó được coi là độ dốc của đường cong ứng suất-biến dạng tại một
điểm nhất định trên đường cong (B). Nó có thể được tính bằng cách sử dụng xấp xỉ
chênh lệch trung tâm của đạo hàm đầu tiên tại một điểm.
Mô đun trượt hoặc mô đun độ cứng (G) được sử dụng để mô tả mối quan hệ
giữa ứng suất trượt và biến dạng trượt .

Nếu lực được tác dụng từ mọi hướng dẫn đến sự thay đổi thể tích, môđun được
gọi là môđun số lượng lớn (K).
K=

= (2.83)

Khi một mẫu chịu nén đơn trục theo một hướng, nó có thể nở ra theo các
hướng khác. Poisson’sratio (µ) được gọi là tỷ số giữa biến dạng theo phương vng
góc với lực tác dụng lên biến dạng theo phương của lực tác dụng.
µ=

=

(2.84)

Điểm Bioyield được gọi là điểm mà tại đó sự gia tăng biến dạng được quan sát
thấy có sự gia tăng hoặc khơng có sự thay đổi của lực. Trong một số sản phẩm nông
19


nghiệp, sự hiện diện của điểm bioyield này là dấu hiệu của sự vỡ tế bào ban đầu.
Điểm đứt gãy là một điểm trên đường cong ứng suất - biến dạng hoặc lực - biến dạng
tại đó mẫu thử chịu tải trọng dọc trục bị vỡ khi chịu tải trọng. Điểm đứt gãy tương ứng
với sự cố trong cấu trúc vĩ mô của mẫu thử trong khi điểm bioyield tương ứng với sự
hỏng hóc trong cấu trúc vi mơ của mẫu.

Hình 10. Dữ liệu ứng suất so với biến dạng thu được từ thử nghiệm độ bền kéo được
áp dụng trên sợi bột báng

Ví dụ 2: Bột báng khơ thương mại có đường kính 1,65 mm được sử dụng để
kiểm tra các đặc tính lưu biến của mì chính khơ.
(a) Một thử nghiệm kéo được áp dụng trên fi bers có chiều dài 150 mm và kết quả
được cho trong Hình E.2.7.1. Xác định giá trị của mơđun đàn hồi.
(b) Tỷ lệ Poisson là bao nhiêu nếu các bers biểu thị sự thay đổi đường kính 2,43 ×
10−3 mm dưới ứng suất 15 MPa?
Bài Giải:

20


(a)

Mô đun đàn hồi được xác định là:

Từ

độ

dốc

của

đường cong, E được tìm thấy là 5000 MPa.
(b)

Tỷ lệ Poisson là:

Từ đồ thị tại ứng suất 15 MPa, biến dạng, ε = , được đọc là 0,003.
Chèn thành phương trình (2.84), tỷ lệ Poisson (µ) có thể được tính như sau:

Hình 11. (a)
xốy được
trong các nắp
ứng
quan sát

Hình thành

quan sát thấy
nhớt. (b) Hiệu
Weissenberg
được trong
uid đàn hồi.

21