Tarcie wewnętrzne
Do wyznaczania kąta tarcia wewnętrznego materiałów sypkich najczęściej stosowany jest aparat ścinania oraz procedura pomiaru Jenikego (1964). Kąt tarcia wewnętrznego zależy od właściwości pojedynczych ziaren materiału sypkiego oraz od struktury złoża. W przypadku ziarna zbóż czynnikami modyfikującymi właściwości fizyczne ziaren są: wilgotność, gatunek, odmiana, stan dojrzałości oraz warunki uprawy. Czynnikami modyfikującymi gęstość upakowania oraz przestrzenną strukturę wzajemnego ułożenia ziaren są: sposób formowania złoża materiału sypkiego, wilgotność, ciśnienie oraz czas składowania. Powietrznie suche ziarno zbóż na ogół nie posiada kohezji. Siły kohezji pojawiają się natomiast przy większej wilgotności ziarna i długim czasie składowania.
- Jenike A.W.: Storage and flow of solids. Bull. 123, Eng. Expt. Sta., Utah State Univ., 1964.
- Łukaszuk J., Molenda M., Horabik J., Wiącek J.: Metoda wyznaczania współczynnika tarcia pomiędzy dwoma metalowymi i organicznymi obiektami. Acta Agrophysica, Vol. 13(2), 407-418, 2009.
Podstawą określenia kąta tarcia wewnętrznego jest znajomość zależności naprężenie - odkształcenie wyznaczonej na przykład w teście bezpośredniego ścinania. Poszczególne materiały sypkie różnią się między sobą przebiegiem krzywej ścinania. Na zamieszczonym wykresie widzimy zarówno gładki przebieg krzywej ścinania mąki pszennej, nieregularne oscylacje w przypadku soli kuchennej oraz bardzo regularne oscylacje naprężenia stycznego pojawiające się w momencie wyczerpywania się wytrzymałości materiału w przypadku mleka w proszku. Częstość oscylacji maleje ze wzrostem naprężenia normalnego. Uważa się, że ich przyczyną jest zachodzące na przemian wzmocnienie i osłabienie materiału w obszarach chwilowych warstw ścinania. Oscylacje prowadzić mogą do wzbudzenia silnych drgań konstrukcji urządzeń.
Ziarna zbóż są wyraźnie niesferyczne. W przypadku pszenicy długość ziarna jest około dwukrotnie większa od szerokości. Jeżeli ziarna są zorientowane losowo i upakowane z jednakową gęstością, to materiał będzie izotropowy i jednorodny. Jeśli jednak osie niesferycznych ziaren są równoległe do pewnego wyróżnionego kierunku, to materiał wykazuje własności anizotropowe - posiada różną wytrzymałość na ścinanie w różnych kierunkach. Łatwym do zaobserwowania przykładem powstawania anizotropii jest powolne staczanie się ziaren wzdłuż powierzchni stożka naturalnego usypu. Ziarna układają się wtedy na ogół najdłuższą osią wzdłuż tworzącej stożka. Pomiary kąta tarcia wewnętrznego ziarna zbóż przeprowadzone metodą trójosiowego ściskania oraz bezpośredniego ścinania wykazały, że kąt tarcia wewnętrznego rośnie ze wzrostem kąta g zawartego między kierunkiem wyróżnionej orientacji ziarna, a kierunkiem poślizgu.
Jednym z podstawowych parametrów materiałów sypkich jest wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie. Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie można sobie wyobrazić jako wytrzymałość materiału wstępnie zagęszczonego naporem normalnym σ1 pojawiającą się podczas ponownego obciążenia w kierunku pionowym po wcześniejszym usunięciu podparcia w kierunku poziomym. Naprężenie σc , przy którym próbka ulegnie zniszczeniu, to wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie.
W praktyce wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie określa się w sposób pośredni na podstawie wyznaczonego eksperymentalnie warunku plastyczności. Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie zależy od większego naprężenia głównego podczas konsolidacji: im większe naprężenie σ1 tym większa wytrzymałość σc. Dla różnych materiałów różne jest nachylenie tej zależności. Funkcja płynięcia, czyli zależność wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie σc od naprężenia konsolidującego σ1, pozwala klasyfikować materiały sypkie pod względem oporu jaki stawiają swobodnemu przepływowi grawitacyjnemu na swobodnie płynące, łatwo płynące, kohezyjne, silnie kohezyjne. Funkcja płynięcia stosowana jest coraz częściej jako wskaźnik oceny jakości materiału sypkiego. Bezpośrednio na linii produkcyjnej oceniana jest sypkość poszczególnych partii materiału.
|
|
 |
 |
Proces formowania się warstwy ścinania podczas dużej deformacji postaciowej ilustrują dobrze przedstawiony na rysunku przekrój próbki nasion gorczycy poddanej testowi trójosiowego ściskania. Próbki uformowane były z warstw nasion o dwóch kolorach w taki sposób, że w przekroju podłużnym tworzyły szachownice. Próbki materiału sypkiego z wyraźnie uformowaną warstwą ścinania utrwalano za pomocą żywicy epoksydowej, przecinano wzdłuż kierunku prostopadłego do powierzchni ścinania i analizowano rozkład przemieszczenia nasion o różnej wielkości i kształcie.
W miarę wzrostu deformacji warstwa ścinania koncentruje się w wąskim pasie materiału. Niezależnie od wielkości ziaren grubość warstwy ścinania zawiera się w przedziale 12-16 średnich średnic D ziaren ośrodka.
Molenda M., Horabik J., Ross I. J.: Stress and deformation of wheat in direct shear test. International Agrophysics, 12, 115-118, 1998.
Horabik J., Łukaszuk J., Grochowicz M.: Formation of shear band in a granular material during triaxial compression test. International Agrophysics, 14(4), 273-279, 2000.
Horabik J., Łukaszuk J.: Analiza doświadczalna powstawania warstwy ścinania w złożu nasion. Inżynieria Rolnicza, 2(22), 85-91, 2001.
