За матеріалами наукової статті на тему «Характеристики цукрових буряків під час зберігання» («Impact characteristics of sugar beet root during postharvest storage») журналу «Міжнародна агрофізика» («International Agrophysics»), 33, 2019 р.

Рослинні матеріали, включаючи цукрові буряки, характеризуються високим вмістом води та піддаються пошкодженням під час збирання, очищення, укладання в кагати, транспортування та надходження на переробку. Більшість пошкоджень буряків є результатом механічного навантаження динамічного характеру, коли стрес поширюється у хвилеподібній формі. Природа такого навантаження відрізняється від навантаження у квазістатичних умовах, оскільки біологічний матеріал із часом втрачає в'язкопружні властивості і поводиться як пружно-пластичне тіло. Більше того, на поведінку буряка під ударним навантаженням істотно впливає його маса. Фактичне навантаження динамічного характеру спостерігається, коли деформуючий елемент призводить до значного зміщення одного кінця зразка, тоді як інший кінець не змінюється, оскільки хвиля напруги його не досягає. Порогова швидкість, вище якої навантаження має динамічний характер, залежить від характеристик матеріалу, особливо від щільності та жорсткості. Різний характер деформацій квазістатичного та динамічного характеру призводить до різного ступеня стійкості матеріалів до різних видів механічних навантажень. Тому параметри міцності цукрових буряків слід визначати в умовах динамічного навантаження. Слід враховувати, що падіння з висоти 2,5 см призводить до удару зі швидкістю 0,7 м/с^-1, що у випадку більшості фруктів та овочів викликає стресову хвилю і призводить до погіршення матеріалу та споживчих якостей. Незважаючи на вдосконалення технологічних операцій, що виконуються на цукрових буряках, пошкодження все ще трапляються, що, в свою чергу, впливає на кінцевий урожай та собівартість виробництва. Механічні пошкодження можна розділити на три основні групи:

• пошкодження внаслідок збирання врожаю (відламування кінців коренеплодів, надрізи, неправильне обрізання та залишки незібраних коренів у полі);
• пошкодження, спричинені очищенням та транспортуванням агрегатами збирального комбайна;
• пошкодження внаслідок падіння коренеплодів під час їх транспортування або розвантаження.

Невидимі тріщини кореня становлять значну небезпеку, оскільки вони призводять до інфекцій, які викликають втрати цукру від 0,2% за день та 0,34% за ніч.

Із метою обмеження втрат маси, зниження собівартості виробництва та поліпшення якості сировини були проведені численні дослідження під впливом квазістатичних навантажень. Механічні параметри цукрових буряків, які найчастіше визначаються, — максимальне руйнівне навантаження, енергія деформації, величина відхилення сили/крива зміщення та стисливість. Визначалися діапазони мінливості модуля пружності, коефіцієнт Пуассона та критичне навантаження на основі тесту на деформацію циліндричного зразка кореня. Модуль пружності збільшився протягом 35 днів збирання врожаю. Під час визначення міцності при стисненні циліндричних зразків було виявлено середнє значення сили пошкодження для свіжих буряків та буряків, які зберігалися протягом 60 днів. Значне збільшення сили пошкодження коренеплодів відбувалося після зберігання. Також було виявлено певні відмінності у величині сили пошкодження залежно від досліджуваного сорту буряків. Порівнювалася ефективність тестів на визначення міцності при стисненні вільного зразка та випробування твердості протягом 77-денного періоду зберігання. Було виявлено, що міцність кореня зростає із часом зберігання, порівняно з результатами, отриманими під час випробування твердості.

У 2015 році було визначено три механічні параметри зрізаних в осьовому режимі зразків цукрових буряків. Дослідження були проведені з метою перевірки можливості прогнозування різних властивостей цукрових буряків за допомогою видимої та ближньої інфрачервоної спектроскопії. Ці методи були ефективними для визначення вмісту вологи та цукру в буряках. Однак вони виявилися недоцільними для оцінки механічних параметрів, визначених у дослідженні міцності при стисненні. У результаті, виникає необхідність розробки нових ефективних методів визначення механічних властивостей як зразків, так і цілих коренеплодів.

Рослинні матеріали складаються з окремих клітин, які утворюють тканинну структуру. Клітини характеризуються різною формою, розмірами, шириною, орієнтацією, а також товщиною к стінок. Ці особливості можуть впливати на сприйнятливість рослинного матеріалу до сили навантаження різного походження щодо осі досліджуваного кореня/плоду. Зовнішнє навантаження реалізовувалося за методом багаторазових ударних навантажень з постійною висотою (CHMI). Стійкість тканин до механічного навантаження також залежить від водного потенціалу, точніше тургорного потенціалу тканин. У випадку гідратованих клітин (сильна адгезія) необхідно було використовувати низькі рівні енергії для руйнування клітинних стінок через незначне початкове напруження клітинної стінки. Клітини, які мають велике значення тургору (відносно високий ступінь адгезії клітин), пошкоджуються розривом, а ті, які менш гідратовані, пошкоджуються розділенням клітин.

У 2015 році було проведено випробування на стиснення зразків та визначено вплив на буряки відразу після збирання та через п’ять годин після їх викопування. Критичне навантаження для зразків, розрізаних поперек і вздовж осі кореня, видимий модуль пружності та коефіцієнт Пуассона визначалися за допомогою тесту на стиснення. Максимальне прискорення під час діючої зміни швидкості та часу дії визначалися за допомогою дослідження на ударне навантаження. Визначено залежність середніх значень коефіцієнта Пуассона від навантаження, що застосовувалося під час випробування, і встановлено, що ці значення збільшуються із навантаженням на свіжі корені. Значне поширення середніх значень параметрів, визначених у квазістатичних умовах та ударних випробуваннях, не дозволило зробити висновок про стійкість коренів до пошкоджень при різних умовах навантаження. Вагомим досягненням дослідження стало визначення суттєвих змін механічних параметрів буряків, залишених у полі на 5 год, що повинно враховуватися при виборі технологій збирання врожаю.

Як зазначено вище, механічні пошкодження цукрових буряків в основному виникають внаслідок навантажень динамічного характеру. Робочі частини сільськогосподарської техніки, наприклад копачі, очищувачі, шнеки жатки та шнекові транспортери досягають великих лінійних та кутових швидкостей. Вони викликають навантаження, яким піддаються коренеплоди: 25 г у випадку очищувачів та близько 35 г для шнеків жатки. Часті пошкодження коренів через їх падіння під час навантаження та розвантаження повністю виправдовують потребу в ознайомленні з механізмами деформації тканини цукрових буряків в умовах динамічного навантаження.

Найчастіше застосовувані методи дослідження впливу — випробування на стійкість при падінні з висоти, а також тести, що передбачають використання маятника.

Для вивчення реакції цукрових буряків на пошкодження також застосовувався недеструктивний метод ыз використанням лазерного віброметра. Буряк стимулювали вібраціями за допомогою удару циліндричним бруском. Спектр частоти коливань точки, розташованої на бічній поверхні кореня, мав максимальне значення, яке характеризувало пружність досліджуваного кореня.

Метою статті було визначити вплив тривалості зберігання цукрових буряків на структурні параметри, визначені під час випробування на ударне навантаження циліндричних зразків, такі як: максимальна сила реакції зразка, енергія пошкодження, енергія, поглинена зразком, модуль пружності, швидкість поширення стресової хвилі в зразку, а також рівні стресу та деформації, які пошкоджують зразок.

Результати та обговорення

Типова сила реакції зразка показана на Рис. 1. Він показує частину зразка до його пошкодження, яке спостерігалося, коли ступінь деформації становив близько 2,7 мм. На кінці зразка було відмічено основу, яка не деформувалася. Площа між двома напрямками сили реакції пропорційна енергії, розсіяній у зразку під час удару.

Рис. 1. Типовий хід реакції зразка, зафіксований датчиками під час впливу

В експериментальних результатах не було виявлено статистичної значимості залежності між параметрами, отриманими для зразків, розрізаних уздовж і поперек щодо осі кореня у всі дні експерименту. Тому в даній роботі представлені загальні результати для обох видів зразків.

Вплив тривалості зберігання на ступінь пошкодження зразка представлений на Рис. 2. Середні значення, отримані під час випробувань відразу після збирання врожаю, та для буряків, які зберігалися протягом 24 год, становили 181,2 та 175,2 N відповідно. Однак після другої та четвертої доби зберігання сила пошкодження значно зменшується до значення 154,7 N і досягає 146,6 N через чотири дні зберігання.

Рис. 2. Вплив тривалості зберігання на величину максимальної реакції на молоток F_hmax

У випадку енергії, необхідної для пошкодження зразка, було відзначено статистично значуще зменшення з часом зберігання. Середні значення енергії пошкодження становили 264,0 10^-3 Дж відразу після збирання врожаю та 131,1 10^-3 Дж після п’яти днів зберігання (Рис. 3).

Рис. 3. Вплив тривалості зберігання на величину енергії впливу ei, зафіксовану датчиком, встановленим на молотку

Енергія, поглинена зразком під час пошкодження, — це енергія, перетворена в тепло, удільну пружну енергію та енергію локальних внутрішніх пошкоджень. Середні значення поглиненої енергії з часом зменшилися від значень, що досягли від 23,6 10^-3 Дж для зразків свіжих коренів до 11,8 10^-3 Дж після п'ятиденного періоду зберігання (Рис. 4). У цьому випадку також спостерігалося статистично значуще лінійне зменшення.

Середні значення стресу від пошкоджень знаходилися в межах від 2,84 до 2,30 МПа (Рис. 5). Середні значення штамів εd, при яких відбувалося пошкодження зразка, знаходилися в діапазоні від 0,133 для свіжих коренів до 0,105 для тих, що зберігалися 5 днів (Рис. 6). Як критичне навантаження, так і деформація демонстрували незначну тенденцію до зменшення в залежності від тривалості зберігання.

Рис. 4. Вплив тривалості зберігання на величину енергії, поглиненої зразком під час впливу — e_ab

Рис. 5. Вплив тривалості зберігання на стрес від пошкодження зразка

Рис. 6. Вплив тривалості зберігання на руйнівну деформацію зразка

Не виявлено кореляції між модулем пружності та тривалістю зберігання. Середні значення коливалися від 20,73 до 23,28 МПа (Рис. 7).

На Рис. 8 показані методи оцінки тривалості впливу стресової хвилі на зразок. Δt показує інтервал часу між початком збільшення кривих сили реагування зразка, вимірюваних датчиками, розміщеними в молотку та ковадлі. Напрямок сили реакції, вимірюваної на обох кінцях зразка, показав коливання значень синусоїдної форми, що продемонструвало відбиття стресової хвилі від кінця зразка і повернення до його початку. Інтервал часу 2Δt, визначений на основі синусоїда, відповідав часовому інтервалу Δt, визначеному на основі вихідних точок обох кривих сила-час реакції.

Значення сили та стресу, зафіксовані під час експерименту, необхідні для пошкодження зразка, характеризувались значним розсіюванням та незначно зменшувалися з часом зберігання. Дуже високий ступінь кореляції був виявлений у випадку енергії удару, середні значення якої зменшувалися з часом зберігання. Пошкодження зразків, що зберігалися протягом чотирьох днів, вимагало приблизно на 40% меншої енергії удару, в порівнянні з буряками, пошкодженими безпосередньо після збирання. Отримані результати вказують на швидку втрату тургорного тиску коренями після збирання врожаю, що при їх великій масі призводить до більшої чутливості до пошкоджень. Подібне співвідношення було виявлено для енергії, поглиненої зразком під час його пошкодження. Значення енергії, розсіяної у зразку перед пошкодженням, зменшувалося з часом зберігання, що доводить більшу сприйнятливість буряків на зберіганні до ударного навантаження. Як уже зазначалося, під час експерименту спостерігалася тенденція до невеликого зменшення значень критичного навантаження. Ці значення були подібними до значень, отриманих в умовах квазістатичного навантаження. При цьому значення критичних деформацій були втричі більшими, ніж ті, що були отримані в умовах квазістатичного навантаження. Час, необхідний для пошкодження зразка зі швидкістю удару 1 м с^-1, становить близько 2,5 10^-3 с. У випадку типового випробування на стискання зразка висотою 20 мм при 20 мм хв^-1 це може зайняти 10 секунд. Окрім тканинних структур, рослинні матеріали, що містять велику кількість води, також містять певну кількість газів у міжклітинних просторах. Під навантаженням вони потрапляють в матеріал, який демонструє явище деформації та зняття напруги, характерні для в'язкопружних тіл. Під час удару, тривалість якого приблизно в 4000 разів менша, порівняно з типовим стисненням, потік рідини та газів у міжклітинних просторах неможливий. Пружні деформації та локальні руйнування або розшарування одиничних клітин та тканин, що відбулися до пошкодження зразка, спостерігаються як швидке збільшення та зменшення сили реакції. Ці спостереження підтверджують модуль пружності, визначений під час експерименту, значення якого були втричі вищими, порівняно зі значеннями, отриманими іншими дослідниками за допомогою тестів на стискання. Значне збільшення напружень всередині зразка, як функція деформації, обмежує різний характер реакції досліджуваного матеріалу, який можна вважати еластичним. Результати експерименту викликають питання: які фактичні причини пошкодження тканин цукрових буряків? Чи виходять причини за межі граничного напруження чи деформації? Крім того, отримані значення напруження від пошкодження в умовах удару не суттєво відрізнялися від значень, отриманих під час випробувань на стискання. Однак значення критичних деформацій були більше ніж утричі нижчими. Швидкість розповсюдження хвилі напруги в зразках під час удару знаходилася в межах від 220 до 384 м с^-1 і не корелювала з експериментальними параметрами.