Классификация пищевых продуктов по физической структуре. Специальность: 280402.65 – «Природоохранное обустройство территорий»

Дисциплина: Физика

Специальность: 280402.65 – «Природоохранное обустройство территорий»

 

ДЕ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ (4 задания)

 

4.1. Свободные и вынужденные колебания

 

 

4.1.1. Тело совершает гармонические колебания около положения равновесия (точка 3) с амплитудой (см. рис.). Ускорение тела равно нулю в точке …

 

Решение: При гармонических колебаниях смещение тела от положения равновесия изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Пусть . Поскольку ускорение тела равно второй производной от координаты по времени, зависимость ускорения от времени дается выражением . Отсюда следует, что ускорение равно нулю в тех точках траектории, в которых равна нулю величина смещения тела из положения равновесия, то есть в точке 3.

 

 

4.1.2. Шарик, прикрепленный к пружине (пружинный маятник) и насаженный на горизонтальную направляющую, совершает гармонические колебания.

На графике представлена зависимость проекции силы упругости пружины на положительное направление оси Х от координаты шарика.

В положении О энергия пружинного маятника (в мДж) равна …

 

 

Решение: В положении О пружинный маятник обладает кинетической энергией, потенциальная энергия равна нулю. По закону сохранения энергии кинетическая энергия в положении О равна потенциальной энергии в положении В. Потенциальную энергию можно найти по формуле , где коэффициент жесткости пружины, растяжение (сжатие) пружины. Жесткость пружины можно определить, используя график: ;

. Величину растяжения пружины в положении В также можно определить из графика: .

Следовательно, кинетическая энергия в положении О равна:

 

 

4.1.3. На рисунках изображены зависимости от времени координаты и скорости материальной точки, колеблющейся по гармоническому закону:

 

Циклическая частота колебаний точки (в с ^-1) равна …

Решение: При гармонических колебаниях смещение точки от положения равновесия изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Пусть . Скорость есть первая производная по времени от смещения точки: . Отсюда амплитудное значение скорости . Отсюда . Приведенные графики позволяют найти и . Тогда циклическая частота колебаний точки .

 

 

4.1.4. На рисунках изображены зависимости от времени скорости и ускорения материальной точки, колеблющейся по гармоническому закону.

 

 

Циклическая частота колебаний точки равна ______ с ^-1

Решение: Амплитудные значения скорости и ускорения определяются по формулам , , где амплитуда координаты (максимальное смещение материальной точки), циклическая частота. Используя графики, находим: ; Амплитуда – величина положительная по определению. Следовательно, .

 

 

4.1.5. Амплитуда затухающих колебаний уменьшилась в раз ( – основание натурального логарифма) за 100 мс. Коэффициент затухания (в с ^-1) равен …

Решение: Амплитуда затухающих колебаний изменяется со временем по закону , где – коэффициент затухания. По условию . Тогда и

 

 

4.1.6. Пружинный маятник с жесткостью пружины k =90 Н / м совершает вынужденные колебания со слабым коэффициентом затухания которые подчиняются дифференциальному уравнению Амплитуда колебаний будет максимальна, если массу груза увеличить в _____ раз(-а).

Решение: Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний имеет вид , где коэффициент затухания, собственная круговая частота колебаний; амплитудное значение вынуждающей силы, деленное на массу; частота вынуждающей силы. При слабом затухании (коэффициент затухания значительно меньше собственной частоты колебаний маятника) амплитуда колебаний будет максимальна, если частота вынуждающей силы совпадет с собственной частотой колебаний маятника (явление резонанса). Собственная частота колебаний равна: частота вынуждающей силы . Для пружинного маятника Значит, масса груза Чтобы частота вынуждающей силы совпала с собственной частотой колебаний маятника, масса должна быть равна Следовательно, массу груза нужно увеличить в 9 раз.

 

 

4.1.7. В колебательном контуре за один период колебаний в тепло переходит 4,0 % энергии. Добротность контура равна …

Решение: По определению добротность равна где и – энергия контура в некоторый момент времени и спустя период соответственно. Следовательно,

 

 

4.1.8. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности L =10 Гн конденсатора С =10 мкФ и сопротивления R =5 Ом Добротность контура равна …

Решение: Добротность контура равна:

Классификация пищевых продуктов по физической структуре

Физические свойства пищевых продуктов во многом определяют их качество. Учитывая огромное многообразие сырья, перерабатываемого в пищевых производствах и системе общественного питания, целесообразно для успешного изучения всех особенностей производств рассмотреть некоторые свойства пищевых продуктов, связанные с его структурой. От структуры зависит влияние обработки сырья и продуктов механическими, химическими, электрофизическими и другими способами на качество готовой продукции.

Классификация сырья на основе его разделения по физической структуре может быть легко осуществлена, так как в большинстве случаев она просто устанавливается. В соответствии с этой классификацией можно выделить продукты:

- клеточного строения

- жидкие

- желеобразные (студни, гели)

- пастообразные

- жирнообразные

- стекловидные.

К продуктам клеточного строения, или волокнистым пищевым продуктам, относят пищевые продукты, состоящие из клеток, имеющие волокнистые структуры, которые образуют каркас (сетку), что в значительной мере определяет консистенцию продукта. Структурная волокнистая сетка, образующая каркас продукта, имеет нерегулярный характер, который зависит от вида, возраста, степени созревания продукта, поэтому прочностные свойства и консистенция продукта одного вида могут колебаться в широких пределах.

Продуктами клеточного строения являются мышечные ткани животных, основным структурным элементом мышечной ткани является мышечное волокно (клетка). Ткани фруктов и овощей также образованы растительными волокнами.

Качество целых или грубоизмельченных плодов и овощей, мяса и мясных продуктов во многом определяется свойствами клеточной структуры. Консистенция этих продуктов зависит от следующих факторов:

• действия межклеточных сил, связующих клетки друг с другом;

• механической прочности и жесткости клеточных стенок;

• набухания клеток вследствие осмотического давления внутриклеточной жидкости.

Потребительские свойства продуктов во многом определяются состоянием клеточной структуры, которое заметно меняется во время хранения продуктов. Это характерно как для растительных, так и для животных продуктов и рыбы. При тонком измельчении структура продуктов разрушается и такие продукты следует рассматривать как типичные дисперсные системы.

К жидким относятся продукты, которые легко растекаются при комнатной температуре. Типичными жидкими продуктами являются молоко, соки, различные напитки, а также сиропы, некоторые соусы и др. К жидким продуктам часто относятся продукты с заметными включениями твердых частиц: соки с фруктовой мякотью, пюре и др.

Наиболее характерным фактором, определяющим свойства жидких пищевых продуктов, является вязкость. Вязкость молока возрастает с повышением процентного содержания жира и содержания белковых веществ при постоянном содержании жира. Гомогенное цельное молоко ведет себя в основном как ньютоновская жидкость¹.

¹ Ньютоновская жидкость — вязкая жидкость, то есть жидкость, подчиняющаяся при своем течении закону вязкого трения Ньютона. Подчинение течения жидкости закону Ньютона заключается в том, что если жидкость под влиянием приложенного извне напряжения сдвига Р течет по капилляру, то с увеличением напряжения сдвига пропорционально возрастает и скорость течения.

 

Сиропы и мед ведут себя как простые ньютоновские жидкости. Их вязкость в большой мере зависит от концентрации сахаров. Большинство соков, получаемых из фруктов и овощей, являются ньютоновскими жидкостями. Существует мнение, что соки с более высокой вязкостью имеют более высокое качество, чем с низкой. Однако для неосветленных соков вязкость является малопригодным показателем для определения их качества, так как она зависит от характера, размера и количественного содержания взвешенных частиц.

К желеобразным (студням, гелям) пищевым продуктам относят: фруктовые желе, желатиновые десерты и другие, состоящие в основном из полимерных углеводов (крахмал, пектин или агар) или из белков (глобулин, желатин). Качество желеобразных продуктов зависит от желеобразующей (студнеобразующей) способности этих веществ при определенной концентрации в воде.

В пищевой промышленности широко используются крахмальные, пектиновые гели, растительные камеди, желатин и яичный альбумин.

Водные суспензии натуральных крахмалов при нагревании до определенной температуры образуется гель, прочность которого зависит от типа и концентрации крахмала, условий его образования, реакции среды (рН), температуры. Пектин широко используется в кондитерской промышленности, т.к. способен образовывать сахаро-кислотные гели. При производстве кондитерских изделий, десертов, некоторых мясных изделий используют желатин, который образует плотный гель из охлажденного золя при низких концентрациях (0,5—1%). Яичный белок, представляющий собой в нативном состоянии золь, при нагревании вследствие коагуляции белка переходит в плотный гель.

К пастообразным продуктам относятся некоторые грубоизмельченные продукты из растительного и животного сырья, а также отдельные смеси, имеющие густые, кашеобразные, тягучие, слизистые структуры. Это фруктовое и овощное пюре, томатная паста, колбасный фарш, ореховый мусс, сырковая масса. Пастообразными являются шоколадная масса при температуре несколько выше 35^оС, состоящая из частиц какао и кристалликов сахара в жидком какао-масле, помадные массы кондитерского производства, некоторые виды теста.

Пасты из фруктового и овощного сырья в основном сохраняют свою клеточную структуру. По своей природе пасты являются концентрированными суспензиями.

К жирнообразным пищевым продуктам относят сливочное масло, маргарин, майонез, шоколад, кремы масляные и другие продукты. Большое содержание жира в этих продуктах определяет их структуру и консистенцию, что и является причиной их выделения в отдельную группу.

Качество жирнообразных продуктов во многом определяется структурой продукта. Известно, что на это свойство главное влияние оказывают состав жира и температура его плавления, обусловливаемые происхождением жира, размеры шариков и кристаллов жира, зависящие от различных условий процесса производства жирнообразных продуктов.

Структура сливочного масла представляет собой среду молочного жира, в который распределены капли водного раствора, молочного белка, минеральных солей, лактозы и других компонентов молока.

Шоколад представляет собой сплошную среду масла какао, в которой распределены частицы других нежирных компонентов (сахар, вкусовые соединения, эмульгаторы (лецитин). Характерные структурные свойства шоколада определяются тем, что масло какао имеет более узкий диапазон пластичности сравнительно с другими жирами. При комнатной температуре оно застывает, становится ломким и утрачивает маслянистость, при температуре 36°С – плавится.

Майонез представляет собой мелкие капельки растительного масла, которые равномерно распределены в жидкой среде, состоящей из воды, поверхностно-активных веществ, вкусовых добавок.

По своей природе жирнообразные продукты чаще всего являются концентрированными эмульсиями.

К стекловидным относятся продукты, обладающие низкой упругостью (эластичностью), разламывающиеся под действием избыточного напряжения, то есть обладающие типичными свойствами стекла. Типичным стекловидным продуктом является леденцовая карамель. Это аморфный продукт, состоящий из застывшего пересыщенного сахарного сиропа. Карамели стекловидного типа имеют сплошную гомогенную структуру, состоящую из почти обезвоженной смеси углеводов. Выраженное действие на консистенцию карамели оказывает содержание воды. При содержании воды 4% карамель имеет более мягкую консистенцию. По мере снижения содержания воды твердость продукта быстро повышается, достигая максимального значения при 1,5%.

Количественные характеристики физических свойств пищевых продуктов выражаются через основные и производные физические величины и единицы их измерения.

В зависимости от природы физические свойства можно подразделить на следующие группы:

q размерно-массовые характеристики (свойства);

q структурно-механические свойства;

q теплофизические свойства;

q электрофизические свойства;

q оптические свойства;

q сорбционные свойства.