ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ К

УДК 620.171.2: 635.657
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЧНОСТИ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
RESISTANCE MATERIALS METHODS USING IN SOLID
BIOLOGICAL OBJECTS RESEARCHING
И.А. Ляпкосова, кандидат сельскохозяйственных наук
Конт. т. 8 8442 411849
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
I.A. Lyаpkosova
Volgograd state agricultural academy
Представлены методика и результаты определения основных механических характеристик прочности
биологического материала на примере семян культуры нута.
The article dwells upon methodic and results of basic mechanical characteristics in biological material
solidness based on chic-pea.
Ключевые слова: сопротивление
механические свойства, семя.
материалов,
прочность,
физико-
Key words: resistance materials, substantiality and physical-mechanical properties.
Необходимость изучения физико-механических свойств растений неоднократно
подчеркивал основоположник науки «Земледельческая механика» академик Горячкин
В.П. Особенностью создания средств механизации сельскохозяйственного производства
является то, что рабочий орган машины взаимодействует с биологическим организмом –
растением,
и
поэтому
проектирование
технологических
процессов
в
сельскохозяйственных машинах и их расчет должны основываться на знании основных
механических характеристик прочности и пластичности биологического материала
растений, которые определяют его способность сопротивляться деформированию и
разрушению.
Многообразие растительных биологических материалов и конструкций
обусловлено многообразием биологических объектов и различием уровней организации
(клетка, ткань, орган и т. д.).
В работе исследуется естественная механическая прочность семян на примере
культуры нута с определением основных физико-механических характеристик методами
сопротивления материалов.
Семя нута представляет собой сложную биологическую систему,
морфологическая структура которой состоит из отдельных частей (оболочка,
семядоли, зародышевый корешок, почечка) с разным химическим составом и
физическими характеристиками. Семя нута содержит повышенное количество белка.
Ткани семядоли состоят из крупных толстостенных клеток, заполненных зернами
крахмала, зернистыми белковыми образованиями (алейроновыми зернами) и белковой
матрицей. Между клетками семядоли образуются межклетники. Для семени
характерно крайне неравномерное распределение неорганических химических
веществ и биологических соединений, его составные части имеют разное физическое
состояние (крахмал и белок – твердые вещества; вода – жидкость; воздух,
заполняющий поры, – смесь газов) и неоднородную микроструктуру. Установлено,
что крахмал, так же как и клетчатка представляет собой вещество, имеющее
кристаллическую структуру, а белковые соединения – аморфную.
Особенностью биологического материала – растительной ткани -является
анизотропия, то есть различие свойств по направлениям, которая сильно проявляется при
оценке механических характеристик семени. Семя нута относится к органическим телам и
отличается весьма сложной конфигурацией.
Перечисленные особенности структуры семени нута значительно влияют на его
механические свойства и поведение в процессе деформирования.
Для проведения статистических испытаний семян нута на сжатие была создана
экспериментальная установка, принцип действия которой основан на методе
тензометрирования с записью измеряемых величин (действующего усилия и деформации
семени) посредством тензометрических звеньев на фотобумагу.
Установка состоит из пресса, регулирующих и регистрирующих приборов
(регулирующий прибор питания «Агат», тензоусилитель «Топаз-3», выпрямитель
ВСА-5К и магнитоэлектрический осциллограф К12-22). Рабочим элементом пресса
является винтовая пара, через которую осуществляется одноосное сжатие семени.
Деформация исследуемого объекта измеряется с помощью консольной балки равного
сопротивления с наклеенными на нее проволочными тензорезисторами. Для
измерения сжимающей силы используется мессдоза, изготовленная в форме полого
стального цилиндра с крышкой, на основании которого внутри размещены
тензодатчики. Сигналы, поступающие с датчиков измерения величины сжимающего
усилия и деформации семени, усиливаются с помощью тензоусилителя «Топаз-3» и
регистрируются на фотобумаге магнитоэлектрического осциллографа К12-22.
По результатам статических испытаний после обработки полученных
осциллограмм были построены нагрузочные диаграммы в координатах «напряжение –
относительная деформация» (σ-ε), как это принято в экспериментальной практике
изучения механических свойств конструкционных материалов. Были определены
основные механические характеристики биологического материала семени.
На рисунке представлена нагрузочная диаграмма при разной влажности для
семени нута сорта Волгоградский 10 (1 – влажность 8,4 %; 2 – 10,2 %; 3 – 12,1 %; 4 –
13,6 %; 5 – 14,4 %; 6 – 15,8 %; 7 – 16,3 %). Первый участок диаграммы линейный,
прямая пропорциональность сохраняется по мере возрастания упругих деформаций и
достижения условного предела пропорциональности, который практически совпадает
с пределом упругости. На этом участке деформация биологического материала
семени подчиняется закону Гука. Характерной особенностью диаграммы является
отсутствие площадки текучести. Следующий криволинейный участок диаграммы
характеризует развитие пластических деформаций, в конце этого участка происходит
разрушение семени в точке, соответствующей условному пределу прочности.
Моментом разрушения считалось появление трещины (для сухого зерна W>12 %) и
потеря сферической формы (для влажного W >12 %).
Рисунок 1
Характер кривой сжатия в значительной степени зависит от влажности семян. Для
сухого – предел упругости близок к пределу прочности и зона пластических деформаций
минимальна или вовсе отсутствует. Сухое семя разрушается как упругохрупкое тело,
разрушение наступает после стадии микроповреждений в виде мельчайших трещин,
пронизывающих зерновку на ту или иную глубину от его поверхности. С повышением
влажности происходит снижение упругих свойств семени и нарастание пластических.
Сокращается зона упругих деформаций и резко увеличиваются остаточные. Молекулы
воды, проникая в пространство между макромолекулами высокополимеров,
составляющих вещество семени, ослабляют силы взаимодействия между ними и снижают
прочность зерновки.
С увеличением влажности нагрузочные кривые располагаются с меньшим углом
наклона в оси абсцисс, что говорит о снижении величины предела упругости и
разрушающего усилия. Зерно начинает подчиняться законам деформирования упругопластических тел.
В отличие от хрупкого сухого семени, которое разрушается при очень малых
остаточных деформациях, у влажного разрушение происходит лишь после значительного
пластического деформирования, после существенного изменения формы.
Библиографический список
1.
Волков, А. Н. Сопротивление материалов / А.Н. Волков, – М.: КолосС, 2004. – 286 с.
2.
Экспериментальная механика / Под ред. А. Кобаяси. – М.: Мир, 1990. – 616 с.
3.
Проблемы прочности в биомеханике: учеб. пособие / И.Ф. Образцов, И.С. Адамович, А.С. Браер и др:
под ред. И.Ф. Образцова. – М.: Высш. шк., 1988. – 311с.