Обзор методов и способов измерения физико-механических параметров рыбы

исходя из характеристик упругости, вязкости и пластичности. Однако наиболее

простой метод определения реологических характеристик реального тела

заключается в построении кривых кинетики деформаций и кривых релаксации

напряжений. По этим кривым можно найти модуль мгновенной и запаздывающей

упругости, коэффициент динамической вязкости, предел текучести, упругости и

прочности, т. е. все данные, характеризующие упругие, вязкие и пластические

свойства тел.

Перечисленные константы позволяют объединить деформационное поведение

материала и достаточно полно характеризовать его структурно-механические

свойства. Под кривыми кинетики деформаций понимается изменение деформации

тела с течением времени при постоянном напряжении, а под кривы ми

релаксации напряжения – изменение напряжения в теле с течением времени при

постоянной деформации.

При снятии кривых кинетики де формаций необходимо правильно вы брать

величину напряжения, поскольку при большом напряжении в вяз ком теле

возникает большая скорость деформации, которую можно ошибочно принять за

мгновенную упругую деформацию.

Кинетика деформации тела рыбы.

Экспериментальные исследования для построения кривых кинетики

деформаций и диаграммы развития восстановительных деформаций в теле рыбы

после снятия напряжения были проведены на приборе, показанном на рис. 8. К

головке 1 посредством ползуна 3 присоединяют платформу 5, на которой

устанавливают груз, а к нижнему его концу крепят наконечник 6. На винты 7,

соединенные с головкой 1, устанавливают плоскость 2.

Опыты по определению изменений деформаций в теле рыбы при постоянном

напряжении проводили в следующей последовательности. Рыбу укладывали на

плоскость 2. Ползун 3 с индикатором перемещали таким образом, чтобы шток

индикатора касался тела рыбы, а стрелка индикатора совмещалась с нулевой

отметкой 4. На платформу 5 укладывали груз и шток погружали в тело рыбы.

Время погружения штока на соответствующую глубину фиксировалось

секундомером через 0, 5, 10, 20, 30, 40, 60/120 и 180 с.

Наконечник 6 имел плоскую цилиндрическую поверхность. Груз,

укладываемый на платформу 5, выбирали таким образом, чтобы напряжение между

наконечником и рыбой было 65•102 Н/м2.

Поскольку внутри индикатора имеется пружина, препятствующая перемещению

штока, была снята характеристика пружины, и усилие, необходимое для сжатия

пружины, было учтено при определении напряжения между наконечником и

штоком. Колебание напряжения не превышало 6%.

По истечении 180 с груз снимали и фиксировали восстановительную

деформацию в теле рыбы. В связи с тем что визуально зафиксировать величину

восстановительной деформации трудно, применяли следующий метод. Рыбу

укладывали на платформу весов и уравновешивали гирями. Затем платформу

фиксировали от перемещения и рыбу нагружали через индикатор постоянной

силой по методике, описанной выше. После снятия нагружения платформа весов

освобождается от фиксации и весы оказываются уравновешенными, т. е. качания

весов не происходит. Теперь представляется возможным фиксировать

восстановительную деформацию, поскольку касание рыбы к наконечнику

индикатора фиксируется чувствительными весами.

Восстановительную деформацию определяли через те же промежутки времени,

что и при нагружении.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ТЕЛА РЫБ

Для того чтобы воспользоваться всеми теоретически выведенными

уравнениями, необходимо знать величину мгновенного модуля упругости Е0,

запаздывающего модуля упругости E1 и коэффициента динамической вязкости ?.

Величину мгновенного модуля упругости E0 можно определить исходя из

экспериментальных данных. На рис. 9 представлены кривые кинетики деформации

тела скумбрии, когда напряжение между наконечником и телом рыбы равно ?

=0,13•105 Н/м2.

[pic]

Рис. 9. График кинетики деформации тела скумбрии.

Мгновенный модуль упругости определяется следующим об разом. По графику

определяют величину мгновенной деформации. Мгновенный модуль упругости

скумбрии, график кинетики деформаций которой изображен на рис. 9, равен:

[pic] Н/м2 (5)

Мгновенный модуль упругости для скумбрии, ставриды, сардинеллы, сельди,

берикса колебался в пределах от 1,5•105 до 6•105 Н/м2.

Численное значение коэффициента динамической вязкости определяли,

основываясь на следующем. Из рис. 9 видно, что вначале деформация тела рыбы

происходит только за счет мгновенного модуля упругости Е0 (участок AB), а

затем за счет совместного действия запаздывающего модуля упругости и

вязкости (участок ВС). Постепенно криволинейная зависимость практически

переходит в прямолинейную (участок CD). Если полагать, что на участке CD

деформация происходит только за счет вязкости, то можно из графика

определить коэффициент динамической вязкости:

[pic] (6)

Определив на участке CD тангенс угла наклона, можно найти коэффициент

динамической вязкости.

ЖЕСТКОСТЬ РЫБЫ

Надежность работы рыбообрабатывающих машин в значительной степени

зависит от структурно-механических свойств рыбы. Тело рыбы после засыпания

проходит три стадии изменении: до посмертного окоченения, посмертное

окоченение и автолиз. Каждой стадии посмертных изменений соответствуют свои

показатели структурно-механических свойств мышечной ткани рыбы. Эти

изменения характерны как для свежей рыбы, так и для замороженной, а затем

размороженной. С изменением структурно-механических свойств рыбы изменяются

силы взаимодействия между рыбой и рабочими органами машин, поскольку

изменяется площадь контакта, обусловливающая силы трения.

До настоящего времени структурно-механические характеристики в основном

оцениваются органолептическим методом. Рыбу сдавливают пальцами и оценивают

ее консистенцию. Не достатком такого метода оценки структурно-механических

характеристик мышечной ткани является его субъективность. К. тому же нет

количественных показателей, оценивающих консистенцию тела рыбы.

Был предложен критерий оценки структурно-механических свойств тела

рыбы, названный жесткостью. При органолептическом исследовании консистенции

мышечной ткани человек сжимает тело рыбы, совершая работу, по величине

которой и судят о консистенции тела рыбы. Для получения количественного

критерия совершаемой работы необходимо, чтобы сжатие рыбы совершала машина

и при этом весь процесс сжатия рыбы можно было записать на ленту.

Исследование жесткости тела рыбы проводилось на тех же приборах и с теми же

приспособлениями, что и в случае определения допустимого удельного

давления.

Тензометрическая головка автоматического пресса IS-5000 позволяла

фиксировать усилия от 0,01 до 50000 Н. Скорость перемещения траверсы пресса

принималась равной 10 мм/мин, а скорость перемещения ленты — 20 мм/мин. Как

было указа но выше, рыба является упруговязким телом. Известно, что при

большой скорости деформации упруговязкие тела ведут себя как упругие. Для

проявления как упругих, так и вязких свойств рыбы была выбрана скорость

деформации тела рыбы, равная. 10 мм/мин.

Исследования по определению жесткости тела рыбы проводили в следующей

методической последовательности. Рыбу укладывали в приспособление для

сжатия с заранее выбран ной площадью пластин. Выбирая площадь пластин,

исходили из формы тела рыбы, при этом необходимо было обеспечить

максимальный первоначальный контакт между пластинами и мышечной тканью тела

рыбы. Чаще всего применяли пластины размерами 20х30 мм, 20х50 мм и 30х80

мм.

Запись самописца автоматического пресса в координатах усилие —

деформация для трех различных видов рыб представ лена на рис. 10. По оси

ординат указано усилие, действующее на тело рыбы, в ньютонах, а по: оси

абсцисс – деформация тела рыбы в миллиметрах. На участке БВ кривой сжатия

рыбы, по-видимому, не обеспечивается полный контакт между пластинами и

телом рыбы, поэтому целесообразно работу, затраченную на сжатие тела рыбы,

определять, начиная с точки В. Работу сжатия для всех исследованных видов

рыб определяли при 5-миллим-етровой деформации (участок BE). За

штрихованная на рис. 10 площадь и представляет собой работу, затраченную на

сжатие рыбы.

[pic]

Рис. 10. Запись самописца при сжатии тела рыбы:

1 — ставрида; 2 — скумбрия; 3 — сардинелла.

Если определять работу сжатия для различных рыб при разной деформации, то

вели чины работы будут не соизмеримы.

Под жесткостью тела рыбы понимается отношение работы по сжатию тела

рыбы при 5-миллиметровой деформации к площади сжимающих пластин:

[pic] (7)

где С — жесткость тела рыбы, Н/м; А — работа по сжатию тела рыбы, Н•м; F —

площадь сжимающих пластин, м2.

Этот критерий оценки структурно-механических свойств рыбы назван

жесткостью в связи с тем, что его размерность сов падает с размерностью

жесткости, общепринятой в технике.

Из рис. 10 видно, что чем меньше сопротивляемость сжатию тела рыбы, тем

меньше угол наклона кривой к оси абсцисс, а следовательно, меньше и работа

сжатия. Так как из трех видов рыб (ставриды, скумбрии, сардинеллы)

наибольшая работа затрачивается на деформацию тела ставриды, то,

следовательно, и жесткость тела ставриды будет наибольшей. Для некоторых

видов рыб, например кильки, определить экспериментально работу сжатия при 5-

миллиметровой деформации практически невозможно, потому что вся толщина

тела рыбы не превышает 5 мм. В этом случае для получения соизмеримых

значений жесткости можно пересчитать работу при 5-милиметровой, на работу

при 5-миллиметровой деформации. На рис. 11 показана работа при деформации

?1 и ?.

Если предположить, что площадь фигуры ABC можно заменить треугольником,

то:

[pic] (8)

Треугольники ABC и AB1C1 подобны и, следовательно:

[pic] (9)

[pic] [pic] (10)

тогда

[pic] [pic] (11)

Поскольку работа сжатия рыбы описывается площадью фигур S1 и S, то

[pic] (12)

где A –работа сжатия рыбы при 5-миллиметровой деформации; ? – 5-

миллиметровая деформация; А1 – работа при деформации, меньшей 5-

миллиметровой; ?1 –деформация, при которой определяется работа A1

Таким образом, представляется возможным сделать пересчет работы сжатия

при любой деформации тела рыбы, меньшей 5-миллиметровой, на 5-миллиметровую

деформацию.

|Таблица 2 |

|Рыба |Жест|Сред|Коэф|

| |кост|нее |фици|

| |ь |квад|ент |

| |тела|рати|вари|

| |рыбы|чн. |ации|

| |, |откл|, % |

| |Н/м2|онен| |

| | |ие, | |

| | |Н/м2| |

|Килька |224 |35 |16 |

|Мойва |172 |39,8|23 |

|Салака |52 | |16 |

|Сардина|79 |8,3 |16,3|

| |72 |12,8| |

|Сардине|78 | |16 |

|лла |96 |12 |13 |

|Скумбри| |10 |20 |

|я | |19 | |

|Ставрид| | | |

|а | | | |

Эксперименты по определению жесткости тела рыбы проводили на рядовой

рыбе, выловленной и замороженной на промысле, а затем размороженной перед

проведением опытов. Температура тела рыбы была 8—15°С. В табл. 2 приведены

данные о средней величине жесткости некоторых видов рыб (для каждого вида

рыб было проведено 20—30 экспериментов).

Зная средние значения жесткости тела рыбы и среднее квадратичное

отклонение, можно определить зону доверительных интервалов:

C = Cср ± t(P)? (13)

Из приведенных данных о жесткости тела различных видов рыб, для которых

работу определяли при 5-миллиметровой деформации без пересчета, наибольшей

жесткостью обладает тело ставриды. Большая жесткость тела кильки и мойвы,

обусловлена деформированием не только мышечной ткани, но и хребтовой кости,

а следовательно, возрастанием сопротивления сжатии) и работы сжатия.

Предложенный критерий жесткости является объективным показателем

структурно-механических свойств рыбы. Известно, что невозможно создать

рыборазделочную машину, которая работала бы на сырье любого качества. В

настоящее время всякое отклонение от нормы в работе рыбообрабатывающего

оборудования объясняется, как правило, несовершенством конструкции машины.

Контроль качества поступающего на обработку сырья не ведется и не может

вестись, поскольку нет количественного критерия для оценки структурно-

механических свойств рыбы. Для установления такого контроля за сырьем

необходимо разработать экспресс-приборы, при помощи которых можно

осуществлять такой контроль, и установить их непосредственно в цехах и на

судах.

Установление границ пригодности сырья для переработки посредством

критерия жесткости повысит ответственность добытчиков рыбы за своевременную

ее переработку. Сортность рыбы также можно установить с помощью критерия

жесткости.

По-видимому, конструкторы рыбообрабатывающего оборудования также смогут

гарантировать надежную его работу на сырье, качество которого находится в

определенных пределах, установленных при помощи критерия жесткости.

После замораживания, хранения и размораживания жесткость и модуль

упругости рыбы уменьшались примерно на 10%. Если полагать, что рыбы подобны

не только биологически, но и по структурно-механическим свойствам, то на

основании экспериментальных данных, полученных при исследовании леща и

судака, можно утверждать, что в результате замораживания и последующего

размораживания жесткость рыбы и модуль упругости уменьшаются на 10%.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИЙ ОТРЫВА ВНУТРЕННОСТЕЙ РЫБ

В процессе разделки рыбы с помощью машин, как правило, отрезается

голова и удаляются внутренности. Удаление внутренностей происходит

механически или гидровымывом. При проектировании рабочих органов машин для

удаления внутренностей необходимо располагать данными об усилиях их отрыва,

деформации и месте обрыва.

Исследования по определению усилий отрыва внутренностей и их деформации

проводили на автоматическом прессе IS-5000 японской фирмы «Шимардзу». Для

захвата рыбы за голову и туловище было спроектировано приспособление,

показанное на рис. 12. Захват для головы (рис. 12, а) состоит из двух

планок 1, 2, соединенных между собой шарниром 3. К планкам приварены щеки 4

и 5, имеющие криволинейные поверхности с насечками. Зажим головы рыбы

осуществляется посредством сближения щек за счет винта 6 и гайки 7. Захват

для туловища (рис. 12, б) состоит из двух планок 8, 9, облицованных резиной

10. Планки соединяются шарнирно 11 и сближаются посредством винта 12. В

планках 8, 9 имеются отверстия, через которые пропускается игла,

прокалывающая рыбу для более надежной ее фиксации. Хвостовые захваты имеют

цилиндрическую форму. Хвостовые захваты для туловища рыбы крепятся к

траверсе, хвостовые захваты для головы — к штанге, присоединенной к

тензометрической головке.

[pic]

Рис. 12. Приспособление для исследования усилий отрыва внутренностей

рыб: а — захват для головы; б — захват для туловища.

[pic]

Рас. 13. Запись самописца при отрыве внутренностей ставриды в координатах

усилие — деформация.

Экспериментальные исследования по определению усилий отрыва

внутренностей рыбы и их деформации проводили в следующей

последовательности. Мороженую рыбу размораживали до температуры 10—15° С,

взвешивали и замеряли ее максимальные линейные параметры. Ножом отрезали

голову от тушки таким образом, чтобы внутренности, присоединенные к голове,

не повреждались. Рыбу фиксировали посредством захватов за голову и

туловище. Включали пресс. Усилия отрыва внутренностей и их деформация

записывались самописцем на ленту. На рис. 13 представлены записи самописца

при отрыве внутренностей ставриды в координатах усилие — деформация.

Аналогичные записи получены для других видов рыб. Анализируя записи

самописца, можно прийти к заключению, что отрыв внутренностей происходит

постепенно. Сначала отмечаются их удлинение и вытягивание, а затем отрыв,

происходящий почти всегда в районе анального отверстия.

Не замечено корреляционной связи между усилием отрыва внутренностей и

их деформацией, а также, между усилием отрыва и массой или длиной рыбы.

ЛИНЕЙНЫЕ И ВЕСОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЫБ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЫБ

При проектировании рыбообрабатывающего оборудования необходимо

располагать данными о морфометрических характеристиках тела рыбы.

Существует несколько различных схем замера линейных размеров рыб и способов

обработки полученных опытных данных. Принципиальным, на наш взгляд,

является вопрос о выборе основного размера рыбы. Размер рыбы от рыла до

конца хвостового плавника не может быть принят за основной размер,

поскольку нет строгой пропорциональности между длиной рыбы и длиной хвоста,

затруднительно выполнять обмерные работы с учетом длины хвостового

плавника; хвостовой плавник, не представляющий пищевой ценности, как

правило, удаляется. Не представляется возможным установить зависимость

между длиной рыбы с учетом хвостового плавника и ее массой.

За основной — базовый – размер рыбы следует принимать размер от конца

рыла до конца чешуйчатого покрова. Этот размер также принят как базовый в

методике замера линейных размеров, разработанной лабораторией механизации

Гипрорыбфлота.

По-видимому, даже при одинаковой базовой длине рыб (в дальнейшем этот

размер будем называть промысловой длиной рыбы) размеры отдельных

аналогичных элементов тела рыбы будут несколько различаться. Разбивка всего

улова на размерные фракции и приведение для каждой размерной фракции

максимального, минимального и среднего размеров не являются правомерными,

поскольку они характеризуют только данный улов и не. являются достоверными.

Задача каждого исследования заключается прежде всего в том, чтобы найти

обобщающие зависимости и перейти от частных случаев к общему. Выбор

обобщающих зависимостей основывался на внутривидовом подобии рыб, т. е. на

том, что при изменении промысловой длины рыбы пропорционально изменяются

все остальные ее размеры, а следовательно, соотношение между каждым

размером и промысловой длиной для различных рыб одного вида будет

оставаться практически величиной постоянной.

[pic] [pic] [pic] (14)

где [pic]— безразмерные коэффициенты; li, Нi;, Bi — соответствующие размеры

по длине, высоте, и толщине.

Поскольку размеры отдельных элементов тела рыбы являются случайными

величинами, то для достоверности результатов необходимо установить закон

распределения случайных ошибок и зону доверительных интервалов. По

результатам экспериментов на основании критерия Пирсона ?2 было

установлено, что случайные ошибки безразмерных коэффициентов подчиняются

нормальному закону распределения.

Весьма важным является выбор количества экспериментов, которое

определялось по замеру характеристик рыб в соответствии с законами

математической статистики:

[pic] (15)

где n – число замеров; t(P) – доверительный интервал; ? – доверительная

оценка точности; ? – среднее квадратичное отклонение.

Разделив и умножив правую часть уравнения на среднее значение

коэффициента [pic] выражающего отношение длины li к промысловой длине L,

получим:

[pic] (16)

где [pic]– коэффициент вариации.

При надежности P = 0,95 и t(P)=2 отношение ?/[pic] = 0,05. Принимая

максимальную величину коэффициента вариации m = 0.15, определяем

необходимое количество замеров, которое равно 36.

Значения коэффициентов [pic] для разных экземпляров рыб несколько

различаются, поэтому важно знать не только среднее значение

соответствующего коэффициента, но и зону доверительных интервалов, т. е.

как разбросаны значения [pic]вокруг среднего [pic]. Зная, что случайные

ошибки подчиняются нормальному закону распределения, можно определить зону

доверительных интервалов соответствующего размера по следующим

зависимостям:

[pic] (17)

Литература:

1) Попов В. В. Исследования физико-механических свойств эпипелагических

видов рыб. Калининград 1983

2) Попов В. В. Исследование морфометрических и теплофизических

характеристик мелких видов рыб. Калининград 1984

3) Попов В. В. Определение физико-механических характеристик рыб

открытого океана. Калининград 1985.

4) Уманцев А. З. Физико-механические характеристики рыб: методика и

результаты исследования. М. 1980

5) Чепрасов Н. Н. Использование физико-механических свойств рыбы при

эксплуатации оборудования: учебное пособие. Калининград 1980

-----------------------

Рис. 8. Прибор для определения кинетики деформации тела рыбы.

Рис. 11. Работа сжатия рыбы при 5-миллиметровой деформации, равной 5 мм, и

деформации, меньшей 5-миллиметровой (S и S1 – площади фигур,

соответствующие деформации ?1 и ?)

Страницы: 1, 2, 3