Виноградная лоза. Физико-механические свойства

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)

 

 

 

Физико-механические свойства виноградной лозы

В процессе работы машин, в зависимости от технологической линии переработки лозы, она подвергается различным воздействиям рабочих органов и влиянию окружающей среды (влажность, давление, температура воздуха и др.). В результате изменяется её механическая структура, физические и химические свойства. Среди целенаправленных воздействий рабочих органов преобладают механические, при которых изменяются форма, размеры, свойства и физическое состояние перерабатываемой виноградной лозы.

Механические свойства лозы – это способность виноградной лозы сопротивляться различным механическим воздействиям. Таковыми являются: прочность виноградной лозы на изгиб, на смятие, на растяжение, удельное сопротивление резанию.

Физические свойства лозы – это, те, которые обнаруживаются при испытаниях, не приводящие к изменению химического состава. К ним относятся: влажность, тепловые свойства, плотность, содержание веществ в лозе, электропроводность.

Одревесневшая лоза состоит из двух структурных элементов – скелета (каркас, арматура), обладающего упругими и пластическими свойствами, и заполнителя, обладающего вязкими свойствами. При многократном ударном воздействии рабочих органов на материал процесс его разрушения можно представить аналогично случаю разрушения материала вследствие циклического действия усталостных напряжений. Под действием внешних сил элементы скелета деформируются, а заполнитель оказывает вязкое сопротивление перемещению частиц скелета, увеличивая тем самым суммарную прочность и жёсткость скелета.

Виноградная лоза имеет ярко выраженную структурную ортогональность. Стебли представляют собой цилиндрическую трубку (рис. 9), диаметр которой колеблется от 5 до 10 мм, состоящую из структурообразующих сегментов. Длина трубки междоузлия колеблется от 6 до 15 см. Указанная выше структура материала подтверждает обоснованность виноградной лозы как поперечно изотропного материала. Волокна условно параллельны оси симметрии и проявляют эквивалентные упругие свойства. Данные стандартных испытаний, проведенных на кафедре МД и ПК ОГАСА, показывают, что механические свойства виноградной лозы в продольном направлении в 7 раз превосходят по величине механические свойства в поперечном направлении. Такое тело называется трансверсально–изотропным, сокращенно – транстропным. Транстропное тело характеризуется следующими величинами: два коэффициента упругости, два модуля сдвига и три коэффициента Пуассона.

Строение виноградной лозы

Рис. 9. Строение виноградной лозы: 1 – полости клеток древесины;

2 – пространство, заполненное воздухом (сердцевина).

В процессе роста лозы её химический состав, и особенно, количественное соотношение основных соединений – воды, органических и минеральных элементов, существенно изменяются. Так, в зелёных стеблях лозы содержание воды колеблется от 56 % до 75 %, а в одревесневших стеблях от 30 % до 52 %. В процессе вегетации в стеблях происходит постепенное увеличение количества пластических углеводов, особенно гемицеллюлоз и крахмала [Стоянов 38], которые вместе с целлюлозой и лигнином составляют 65–80 % от всего сухого вещества. Поэтому для более детальной картины изменения физико–механических свойств виноградной лозы необходимо выполнять исследования в течение всего периода её вегетации.

На базе ЮФ (КАТУ) НАУ были проведены исследования по определению величины модуля упругости и статического напряжения разрушения виноградной лозы при изгибе, в зависимости от периода её вегитации.

Величина изгиба – одна из наиболее важных характеристик упруго–жесткостных свойств лозы. Для её эмпирического определения была изготовлена специальная лабораторная установка, состоящая из опор (1), приспособления (3) для нагружения лозы, прибора (4) для определения величины прогиба (рис. 10). Величина прогиба фиксировалась индикаторным глубиномером (ИГ) с погрешностью 0,5 для лозы с разным диаметром.

Лабораторная установка

Рис. 10. Лабораторная установка

На жесткой станине закреплялись упоры. Образцы в виде кусков свежеобрезанной и сухой лозы были разделены на пять фракций с диаметрами 5; 5,5; 6,75; 7,5; 7,8 мм. Каждый из образцов (2) (рис. 10) укладывался на упоры, и к его середине подвешивался груз. Масса груза увеличивалась до начала процесса излома. Величина прогиба измерялась в момент разрыва волокон, фиксировавшегося визуальным осмотром шкалы прибора в момент характерного звукового эффекта (треск).

Модуль упругости определялся по формуле [дис.84,98]:

Формула определения модуля упругости, МПа, (1)

Где – зазор между упорами (0,08м);

 – величина прогиба лозы, м;

I – Момент инерции поперечного сечения лозы, м4.

– вес груза, Н.

Статическое напряжение разрушения (излома) лозы определялось из равенства [дис.84,100]:

Статическое напряжение разрушения (излома) лозы МПа, (2)

Где Wл – осевой момент сопротивления поперечного сечения лозы, м3;

МMax – максимальный изгибающий момент лозы, Н×м.

Полученные результаты обрабатывались с помощью Microsoft Office Excel [дис.11,85,101].

В результате при определении величины прогиба лозы экспериментально получены данные, которые приведенные в таблице 3.

На рис. 11 видна характерно выраженная волокнистость структуры древесины L, а внутри (сердцевина) расположены клетки с содержанием сахара и крахмала [ дис.2,72]. Для влажной лозы с ростом диаметра величина прогиба уменьшается. Пограничное значение влажности отмечено для диаметров от 7…8 мм. Далее процент содержания влаги существенного влияния на физико–механические свойства не оказывает, так как он минимален.

Таблица 3

Зависимость величины прогиба виноградной лозы от её диаметра

(расстояние между упорами = 0,08 м)

Лоза естественной влажности

= 45–50 %

Лоза сухая

= 10–12 %

DСр, мм

F, мм

Q, Н

DСр, мм

F, мм

Q, Н

1

75 

48 

40 

56 

2

5,5 

62 

67,6 

5,5 

30 

93 

3

6,75 

56 

188,6 

6,7 

27,0 

203 

4

7,5 

32 

256,8 

7,5 

15 

274,4 

5

7,8 

11 

313,6 

7,8 

10 

352,8 

В результате методом наименьших квадратов получены:

– линейный тренд «диаметр–прогиб» для сухой лозы:

линейный тренд «диаметр–прогиб» для сухой лозы, (3)

Коэффициент детерминированности Коэффициент детерминированности;

– линейный тренд «диаметр–прогиб» для лозы естественной влажности:

линейный тренд «диаметр–прогиб» для лозы естественной влажности, (4)

коэффициент детерминированности коэффициент детерминированности.

Виноградные лозы различных диаметров в разрезе

Рис. 11. Лозы различных диаметров в разрезе

Более наглядно деформационные характеристики представлены диаграммой зависимости величины изгиба от диаметра и влажности лозы (рис. 12).

диаграмма зависимости величины изгиба от диаметра и влажности лозы

Рис. 12. Диаграмма зависимости величины прогиба от диаметра и

Влажности лозы: 1 – лоза сухая; 2 – лоза естественной влажности.

В соответствии с методикой экспериментальных исследований найдены значения модуля упругости лозы и её статического напряжения разрушения, которые представлены в таблице 4.

Таблица 4

Расчётные значения определения модуля упругости Е и

Нормального статического напряжения излома  лозы

(расстояние между упорами = 0,08 м)

Лоза естественной влажности

= 45–50 %

DСр, мм

Е, МПа

, МПа

1

222 

73,63 

2

5,5 

259 

81 

3

6,75 

352 

99,4 

4

7,5 

552 

110,4 

5

7,8 

574 

114,8 

6

Среднее

Значение

392

95,8

Как видно из таблицы 4 с увеличением диаметра виноградной лозы, при её одревеснении, происходит увеличение сопротивления излому.

Влажность лозы – показатель, служащий для количественной характеристики содержания воды и сухого вещества. Под влажностью лозы понимают выраженное в процентах отношение массы воды содержащейся в лозе к массе сухой лозы:

 , (5)

где:  – начальная масса образца лозы, кг; – масса образца абсолютно сухой лозы, кг.

Различают две формы воды, которые содержатся в древесной части лозы – это «связанная» и «свободная». Связанная вода находится в клеточных стенках, а свободная содержатся в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная вода удерживается в основном физико-химическими связями, изменения её содержания существенно отражается на большинстве свойств лозы. Свободная вода удерживается только механическими связями, удаляется легче, чем связанная вода, и оказывает меньше влияния на свойства лозы.

Приёмом полного удаления (высушивание) определяют содержание абсолютно сухого вещества и воды в различных частях ствола, побегов и корней винограда (табл. 5).

Также, экспериментальным путем, установлено соотношение влаги и сухого вещества в виноградной лозе.

Таблица 5

Содержание сухого вещества и воды в 100 г. различных частей ствола, побегов и корней (в г.)

Части растения

Сухое вещество

Вода

Мелкие и вторичные корни

45

55

Корни первого порядка

52

48

Главный стержневой корень

58

42

Старая древесина

71

29

Боковые ветви

60

40

Двух летний побег

58

42

Однолетний побег

52,5

47,5

Влажность лозы в зависимости от содержания сухих веществ и ее диаметра в период завершения вызревания (конец вегетации) представлена в таблице 6.

Таблица 6

Влажность и содержание сухих веществ виноградной лозы в

Зависимости от её диаметра

Наименование

Сортов

Влажность лозы (%)

При диаметре DЛ, мм

Содержание в лозе сухих

Веществ (%) при диаметре DЛ, мм

До 5

7 – 8

9

До 5

7 – 8

9

Столовые сорта

Агадаи

Молдова

Чауш

55,6

53,6

56,2

51,3

51,3

55,3

50,3

49,0

56,3

44,4

46,4

43,8

48,7

48,7

44,7

49,7

51,0

43,7

Среднее

55,1

52,6

51,9

44,9

47,4

48,1

Технические сорта

Совиньон

Алиготе

Ркацители

61,7

56,0

52,8

57,7

56,7

52,4

56,9

52,4

54,9

38,3

44,0

47,2

42,3

43,3

47,6

43,1

47,6

45,1

Среднее

56,8

55,6

54,7

43,2

44,4

45,3

Отметим, что у лоз столовых сортов винограда диаметром DЛ от 5 мм до 9 мм влажность составила от 55,1 %, до 51,9 %, тогда как у технических сортов эти значения соответственно от 56,8 % до 54,7 %.

Содержание сухих веществ, наоборот, с увеличением диаметра лозы увеличивается. Так, у столовых сортов при диаметре DЛ от 5 мм до 9 мм содержание сухих веществ составляет от 44,9 % до 48,1 %. У лоз технических сортов при диаметре DЛ от 5 мм до 9 мм содержание сухих веществ составляет от 43,2 % до 45,3 %.

Тепловые свойства. К тепловым свойствам относятся: теплоёмкость, теплопроводность, тепловые расширения.

Теплоёмкость – является показателем способности лозы аккумулировать тепло, представляющее собой количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг древесины на 1 градус. Теплоёмкость для всех сортов одинакова, с увеличением влажности теплоёмкость увеличивается.

Теплопроводность – свойство, характеризующее интенсивность, переноса тепла в материале, коэффициент теплотворности с увеличением температуры, влажности и плотности увеличивается. Вдоль волокон теплопроводность в два раза выше чем поперёк.

Тепловое расширение – способность лозы изменять линейные размеры и объём при нагревании, коэффициент теплового расширения лозы в 4-8 раз меньше, чем у метала, бетона, стекла.

Плотность – это свойство характеризующие массой единицы объёма материала и выражается в кг/м3 либо гр/см3 . Плотность древесного вещества виноградной лозы Рдв т. е. плотность материала клеточных стенок:

Плотность древесного вещества виноградной лозы ,

где:  – масса древесного вещества в граммах,

– объём древесного вещества в см3.

Этот показатель равен для всех сортов 1,4 г/ см3, поскольку химический состав клеточных стенок древесины одинаков.

Плотность абсолютно сухой древесной части виноградной лозы  Плотность абсолютно сухой древесной части виноградной лозы

Где:  – масса древесного вещества в граммах, при W = 0

– объём древесного вещества в см3 , при W = 0

Плотность лозы меньше плотности древесного вещества, т. к. она включает пустоты (полости клеток и межклеточные пространства заполненные воздухом).

Относительный объём полостей заполненных воздухом, характеризует пористость лозы П:

пористость виноградной лозы

Где:  –соответственно объём образца и содержащегося в нем древесного вещества лозы, при W = 0. Пористость лозы колеблется от 40 – 80 %.

Плотность влажной древесины: Плотность влажной древесины

Где:  – соответственно масса и объём древесины при влажности W.

К физическим свойствам относятся содержание веществ в лозе – минеральные вещества, металлы, окиси, кислоты.

Таблица 3

Содержание минеральных веществ в 100 г. древесины.

Разновидность древесины

Сухое вещество

Фосфорная кислота

Калий

Известь

Магнезия

Старая древесина

2,84

5,69

23,53

21,97

10,63

Однолетний побег

3,07

7,00

17,91

37,65

5,5

Таблица 4

Металлы окиси кислоты в пределах одного сорта (в г.)

     
 

По Нейбауэру

По Бабо

Натрий

0,71

2,04

Кальций

30,41

27,69

Магний

7,19

11,89

Окиси железа

7,12

1,52

Окиси магния

6,9

-

Кремниевой кислоты

3,13

3,36

Серной кислоты

3,15

2,78

Хлора

6,7

0,67

Неисследованного остатка

1,69

3,12

Электропроводность – способность лозы проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости от электрического сопротивления. Сухая лоза относится к диэлектрикам с повышением влажности лозы сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение (в 10 млн. раз) сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной воды.

Электрическая прочность – способность лозы противостоять пробою, т. е., снижению сопротивлению при больших напряжениях.

Диэлектрические свойства – характеризуют поведение лозы в переменном электрическом поле.

Проанализировав и вывив основные свойства лозы, мы сделали структурную схему – классификацию виноградной лозы.

 

 

 


Виноградная лоза. Физико-механические свойства - 5.0 out of 5 based on 1 vote