PROPRIEDADES REOLÓGICAS A APROXIMAÇÃO PSICOLÓGICA E REOLÓGICA PARA O COMPORTAMENTO MECÂNICO

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1 PROPRIEDADES REOLÓGICAS A APROXIMAÇÃO PSICOLÓGICA E REOLÓGICA PARA O COMPORTAMENTO MECÂNICO Da mesma forma que os alimentos têm cor, sabor e cheiro, eles exibem comportamentos mecânicos: eles reagem de uma certa forma, quanto tentamos deformá-los. Eles podem ser duros ou macios, suaves ou rugosos, resistentes ou quebradiços, polidos ou pegajosos. Eles podem fluir de forma fácil ou difícil. Nós podemos avaliar o comportamento mecânico dos alimentos de duas formas. Nós podemos tocar os alimentos, apertá-los, cortá-los como os dentes ou mastigá-los e dizer o que pensamos ou sentimos. Este é o estudo sensorial (fisiolígico/psicológico). Como a reação das pessoas varia, alguma análise estatística sempre é requerida. O alimento pode ser avaliado por painéis sensoriais que podem posicioná-lo em alguma taxa ou escala de preferência. Este estudo ao comportamento mecânico é chamado Haptaesthesis (do grego: sensação ao toque). Haptaesthesis é uma área da psicologia (ou, alternativamente, da psicologia sensorial) que cuida da percepção do comportamento mecânico de materiais por meio de sensações. A segunda forma de avaliar o comportamento mecânico de alimentos é a aproximação física. Esta é independente do indivíduo, usa instrumentos e é chamada de objetiva. Os resultados são retornados em forma de metros (m), quilogramas (kg) e segundos (s). Este é o aspecto que justifica a disciplina em curso. A aproximação física para o comportamento mecânico é chamada reologia. A interação entre as aproximações da haptaesthesis e da reologia tem sido chamada de psicoreologia. Trata-se, neste caso, do estudo da relação entre a avaliação subjetiva e as medições reológicas. A palavra Reologia é derivada do vocabulário grego, que significa: Rheo = Deformação Logia = Ciência ou Estudo De uma maneira geral a Reologia, pode ser definida como a ciência que estuda o escoamento da matéria. Entretanto, a forma mais conveniente e completa de defini-la seria como a ciência que estuda a deformação e o fluxo da matéria. A reologia pode ser considerada como a ciência que lida com a deformação e escoamento de corpos. É definida como o estudo da deformação e do escoamento de materiais, devido à força nele aplicada, ou seja, está relacionada com a deformação de sólidos e deformação e escoamento de fluidos líquidos e gasosos. Reologia é uma área da física que analisa as deformações ou as tensões de um material provocadas pela aplicação de uma tensão ou deformação. O material pode estar tanto no estado líquido, gasoso quanto no estado sólido. A deformação de um sólido pode ser caracterizada por leis que descrevem a alteração do volume, tamanho ou forma, enquanto que o escoamento de um fluido que pode estar no estado gasoso ou líquido, é caracterizado por leis que descrevem a variação contínua da taxa ou grau de deformação em função da tensão aplicada.

2 Importância As medidas ou predições das propriedades reológicas de alimentos são muito importantes em cálculos de engenharia de processos, controle de qualidade e determinação das propriedades de ingredientes, entre outros. As características reológicas de alimentos sólidos estão ligadas principalmente à textura, enquanto em alimentos líquidos, ao processo. No estudo do escoamento de fluidos é importante quantificar e tipificar sua resistência à deformação. Podem ser classificados em dois grandes grupos: newtonianos e não. Razões para se estudar reologia de alimentos Existem quatro razões principais para o estudo do comportamento reológico de alimentos. Primeiro, este estudo permite alguma inferência sobre a estrutura. Por exemplo, existe uma relação entre o tamanho e formato das moléculas de materiais em solução e sua viscosidade. Segundo, testes reológicos são frequentemente usados tanto na matéria prima como no controle de processos, na indústria. O controle reológico da massa de farinha de trigo durante a manufatura do pão é um exemplo. Em terceiro, a reologia tem aplicação no projeto de máquinas. Bombas, tubulações e moegas devem ser projetadas para o material para o qual eles serão usados. Estas medições são necessárias para melhor dimensionar o chamado fator de segurança que deveria ser melhor chamado de fator de ignorância. Sempre é bom lembrar que este fator custa dinheiro. Quanto mais se conhece sobre a reologia do material, mais eficiente pode ser a bomba escolhida ou a moega. A quarta razão é que reologia tem relevância para a aceitação pelo consumidor. Avaliação reológica da facilidade de espalhamento de margarinas, da viscosidade de milk shakes da dureza de um bolo e da resistência de carnes são exemplos deste aspecto. Dificuldades da avaliação reológica Existem essencialmente duas dificuldades na classificação reológica. A primeira é a enorme quantidade de tipos de materiais: líquidos, sólidos, gases, e materiais com propriedades reológicas intermediárias. Nos encontramos alimentos como leite, maiosene, queijo cremoso, pão em fatias e hortelã. Como tal variedade pode ser classificada reologicamente? A segunda dificuldade é que qualquer material se comporta diferentemente sob diferentes condições. Se uma pedra cai sobre a sua cabeça, ela certamente agirá como um sólido. Mas se nós observarmos as dobraduras e ajustamentos dos estratos geológicos, a pedra age como um líquido. Se nós dermos um pequena pancada em uma janela de vidro, ela é sólida, mas se medirmos a espessura de uma janela de vidro muito velha, encontraremos que ela é mais grossa na base que no topo, devido as centenas de anos em que ela ficou fluindo. Quando um corpo se comporta como sólido ou líquido, depende de por quanto tempo uma força é aplicada sobre ele ou de qual a intensidade da força. Em Reologia, a classificação entre um material sólido, líquido ou gasoso é determinada pelo número de Deborah (De). Este número estabelece a relação entre tempo de relaxamento do material, λr, e o tempo de duração da aplicação de uma deformação ou tensão, t. Onde: λ r (tempo de relaxamento) - tempo necessário para ocorrer algum movimento molecular; De (Número de Deborah) - relação entre as forças elásticas e viscosas que atuam no material;

3 t (tempo do experimento) - tempo de aplicação da tensão ou deformação. Débora foi uma profeta do antigo testamento que cantou: Senhor, quando saíste de Seir Quando tu caminhaste para fora do campo de Edom a terra estremeceu, os céus gotejaram, as nuvens gotejaram águas As montanhas fluiram diante do Senhor, até Sinai, diante do Senhor Deus de Israel Portanto, na infinita escala de tempo de Deus, até mesmo as montanhas irão, eventualmente, fluir. Eis a razão do nome número de Débora. Mas mesmo sob condições normais de todo dia, todos os materiais podem exibir todas as propriedades reológicas, líquidos ou sólidos, muito embora algumas predominem. Portanto, existem duas dificuldades na classificação reológica de materiais: primeiro a quase infinita variedade de materiais e segundo o fato de cada material exibir propriedades diferentes sob diferentes condições. Os sólidos elásticos apresentam De e os fluidos viscosos possuem De 0. Materiais poliméricos apresentam 0 < De < os polímeros fundidos apresentam, por exemplo valores de λ r, variando entre 1 e 1000s, dependendo de sua Massa Molar. No caso de soluções poliméricas diluídas o valor de λ r =10-3 s -1, enquanto que a água possui λ r próximo de s -1. Analisando a equação 1, pode-se concluir que um dado material pode ter características de um sólido por duas razões: i) porque seu λ r ou; ii) porque o tempo do processo de deformação é muito rápido (t 0) e portanto o material não terá tempo suficiente para realizar movimentos moleculares. Líquidos com valores menores de λ r podem comportar-se como sólidos em processos de deformação muito rápidos, em que o t<< λ r. Este fato pode ser observado para óleos lubrificantes passando por entre engrenagens, isto é, quando as engrenagens estão paradas o material escoa como um fluido viscoso, porque t >> λ r, porém, quando essas engrenagens estão em movimento o material comportar-se-á como um sólido (t<< λ r ). Reologia de fluidos e sólidos Os fluidos reais, líquidos e gases, apresentam uma certa resistência ao escoamento ou deformação, resultante da viscosidade ou viscosidade aparente do material. Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. A viscosidade dos líquidos relaciona-se mais com as forças de coesão entre as moléculas. Os fluidos sofrem transformações irreversíveis. A energia mecânica não é recuperável, sendo transformada em escoamento viscoso e energia térmica. As substâncias sólidas podem apresentar um comportamento elástico ideal. Denomina-se elasticidade a toda deformação reversível. As substâncias que apresentam um

4 comportamento elástico ideal sofrem deformação instantânea sob ação de uma força, que desaparece quando a tensão é eliminada. Caso a tensão aplicada exceda um certo limite, ocorre uma deformação plástica. O trabalho empregado na deformação de um sólido elástico ideal é totalmente recuperado quando o sólido volta à sua forma original Tensão de cisalhamento Consideremos um elemento de volume com a forma de um paralelepípedo e consideremos a resposta do material a uma força externa aplicada (Figura 1). Figura 1. Forças de cisalhamento aplicadas a um elemento cúbico. Sob estas condições, se desenvolverá uma força interna agindo na mesma direção, mas em sentido contrário, denominada tensão, definida como força por área. Existem basicamente dois tipos de tensão: Tensões normais: agem perpendicularmente às faces do corpo. Tensões de cisalhamento: agem tangencialmente às faces do corpo. DEFORMAÇÃO E MÓDULO PARA MATERIAIS SÓLIDOS Antes de apresentar um pouco mais sobre os fundamentos da Reologia em alimentos, tornase necessário recordar alguns conceitos básicos sobredeformações de materiais sólidos, uma vez que o material a ser analisado está sujeito a uma deformação. Os três modos principais pelos quais o material está sujeito a uma deformação são: Tração Cisalhamento Compressão Estes três modos estão demonstrados na Figura 2 e Tabela 1.

5 Figura 2. Deformação por a) Tração b) Cisalhamento c) Compressão Observe que cada tipo de deformação dá origem a um tipo de módulo designado por letras distintas, uma vez que os valores de módulo variam em função do tipo de deformação aplicada ao material. E = Tração G = Cisalhamento K = Compressão MODULO DE YOUNG (E) O módulo de Young ou módulo de elasticidade é um parâmetro mecânico que proporciona uma medida da rigidez um material sólido. É um parâmetro fundamental para a engenharia e aplicação de materiais pois está associado com a descrição de várias outras propriedades mecânicas, como por exemplo, a tensão de escoamento, a tensão de ruptura, a variação de temperatura crítica para a propagação de trincas sob a ação de choque térmico, etc. É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, microestrutura e defeitos (poros e trincas), que pode ser obtida da razão entre a tensão exercida e a deformação sofrida pelo material. Tensão corresponde a uma força ou carga, por unidade de área, aplicada sobre um material, e deformação é a mudança nas dimensões, por unidade da dimensão original. Assim, o módulo de Young é dado por: [1] em que: E é o módulo de Young, medido em pascal,

6 σ é tensão aplicada, medida em pascal, ε é a deformação elástica longitudinal do corpo de prova (adimensional). ou onde F é a força, medida em newtons. A é a área da secção através da qual é exercida a tensão, e mede-se em metros quadrados. Δl é a variação do comprimento medido em metros. l 0 é o comprimento inicial, medido em metros. Para a maioria dos metais, este módulo varia entre 45 GPa, para o magnésio, até 400 GPa, para o tungstênio. Os polímeros geralmente possuem módulos de elasticidade bem mais baixos, variando entre 0,002 e 4,8 GPa. [1] A diferença na magnitude do módulo de elasticidade dos metais, cerâmicas e polímeros é consequência dos diferentes tipos de ligação atômica existentes nestes três tipos de materiais. Além disso, com o aumento da temperatura, o módulo de elasticidade diminui para praticamente todos os materiais, com exceção de alguns elastômeros. Os valores dos módulos de elasticidade de diferentes classes de materiais podem ser encontrados em livros e sites que abordam o assunto. = MÓDULO DE CISALHAMENTO Em ciência dos materiais, o módulo de cisalhamento de um material, também conhecido por módulo de rigidez ou módulo de torção, é definido como a razão entre a tensão de cisalhamento aplicada ao corpo e a sua deformação específica: onde G é o módulo de cisalhamento em Pa, F/A é a tensão de cisalhamento (Pa) e Δx/h é a deformação específica (adimensional). A tensão de cisalhamento relaciona-se com uma força aplicada paralelamente a uma superfície, com o objetivo de causar o deslizamento de planos paralelos uns em relação aos outros. O módulo de cisalhamento pode ser medido com o auxílio de uma Balança de Torção, através da relação: onde K é a constante de torção da balança (adimensional), L o comprimento do fio (mm), e R o raio do fio (mm). Na condição de material isotrópico o módulo de cisalhamento (G) se relaciona com o módulo de Young (E) e o coficiente de Poisson (μ) pela seguinte equação: sendo o coeficiente de Poisson adimensional e o módulo de Young dado em Pa. Para a maioria dos metais que possuem coeficiente de Poisson de 0,25, G equivale a aproximadamente 0,4E; desta forma, se o valor de um dos módulos for conhecido, o outro pode ser estimado [1]

7 Figura 3. Representação esquemática da deformação de cisalhamento. Valores típicos A Tabela 2 apresenta o valor típico do módulo de cisalhamento para materiais isotrópicos selecionados sob condição de temperatura ambiente: Tabela 2. Módulos de cisalhamento para diversos materiais Material Módulo de cisalhamento(gpa )[2] Aço 75,8 Cobre 63,4 Titânio 41,4 Vidro 26,2 Alumínio 25,5 Polietileno 0,117 Borracha 0,0003 9, Pascal = 1 Kgf/cm 2 MÓDULO VOLUMÉTRICO O módulo volumétrico, K, é um parâmetro que descreve a elasticidade volumétrica, ou seja, a tendência de um material em se deformar em todas as direções quando uniformemente carregado em todas as direções (hidrostaticamente). Esse módulo é definido como a razão entre a tensão volumétrica e a deformação volumétrica, e é o inverso da compressibilidade [1]. Onde: K é o Módulo volumétrico (Pa), P é a pressão (Pa), V é o volume (m 3 ) e parcial da pressão em relação ao volume. é a derivada COMPRESSIBILIDADE A compressibilidade, define-se como sendo uma variação infinitensimal do volume por unidade de variação de pressão. Em termos mais simples, é a propriedade que a matéria apresenta quando sofre a ação de forças adequadamente distribuidas, tendo seu volume diminuido. É também este termo a propriedade dos corpos que podem ser comprimidos. Em termos habituais, a compressibilidade dos líquidos é quase nula. Variações simultâneas da pressão e do volume de um gás em temperatura constante implicam na sua compressibilidade. Em termodinâmica e mecância dos fluidos, compressibilidade é uma medida da relativa mudança de volume de um fluid ou sólido como uma resposta a uma pressão (significativa alteração de tensão).

8 Onde: V é volume e p é a pressão. Nota: a maioria dos livros texto usa a notação κ para esta grandeza. O estabelecido acima é incompleto, porque para qualquer objeto ou sistema a magnitude da compressibilidade depende fortemente se o processo é adiabático ou isotérmico. De acordo com isso define-se a compressibilidade isotérmica como: onde a T subescrito indica que a diferencial parcial é para ser tomada a temperatura constante. A compressibilidade adiabática como: onde S é a e entropia. Para um sólido, a distinção ente as duas é normalmente negligenciável. O inverso da compressibilidade é chamado de módulo de compressibilidade, frequentemente notado como K (algumas vezes na literatura B, de bulk modulus, como é tratado em inglês). COEFICIENTE DE POISSON O coeficiente de Poisson, ν, mede a deformação transversal (em relação à direção longitudinal de aplicação da carga) de um material homogêneo e isotrópico. A relação estabelecida é entre deformações ortogonais. [1][2] em que: ν = Razão de Poisson (adimensional), ε x = Deformação na direção x, que é transversal, ε y = Deformação na direção y, que é transversal, ε z = Deformação na direção z, que é a longitudinal, ε x, ε y e ε z são também grandezas adimensionais, já que são deformações. O sinal negativo está incluído na fórmula porque as deformações transversais e longitudinais possuem sinais opostos. Materiais convencionais têm coeficiente de Poisson positivo, ou seja, contraem-se transversalmente quando esticados longitudinalmente e se expandem transversalmente quando comprimidos longitudinalmente. Já aqueles materiais que possuem coeficiente de Poisson negativo, (que são casos muitíssimo especiais) expandem-se transversalmente quando tracionados e são denominados auxéticos (ou anti-borrachas)[3]. Os materiais auxéticos, contrariando o senso comum, tornam-se mais grossos quando são esticados e mais finos quando comprimidos. O comportamento pode ser verificado em algumas espumas e em cristais especiais em nível macroscópico. Quando um material tradicional é atingido, por exemplo, por uma bola, ele "flui" para fora da zona de impacto, tornando o ponto de impacto mais fino e, por decorrência, mais fraco. Nos materiais auxéticos, ao contrário, o material "flui" para o ponto de impacto, reforçando aquela região. Materiais auxéticos são promissores na tecnologia médica, entre outras aplicações possíveis. A introdução de implantes ou sondas para abrir vasos sangüíneos poderá ser mais fácil se, sob pressão, o equipamento se tornar mais fino quando encontrar algum obstáculo na direção perpendicular. Roupas à prova de bala são outra possibilidade de aplicação que poderá ser beneficiada. As moléculas de matérias auxéticos formam uma classe de compostos conhecida como poliprismanos. São moléculas em formato de bastão que consistem em anéis de três a seis átomos de carbono empilhados uns sobre os outros. As moléculas formadas por seis anéis são as que apresentam os maiores efeitos auxéticos. Embora os prismanos tenham sido

9 descobertos há mais de 30 anos, poucos representantes dessa classe de compostos foram sintetizados desde então. No caso de materiais isotrópicos, o módulo de cisalhamento (G), o módulo de young (E) e o coeficiente de Poisson (ν) relacionam-se pela expressão: E = 2G(1 + ν) Já o módulo de Young (E), o módulo volumétrico (K) e o coeficiente de Poisson (ν), pela expressão: E = 3K(1 2ν) Para muitos metais e outras ligas, os valores do Coeficiente de Poisson (ν) variam na faixa entre 0,25 e 0,35. conforme mostra a tabela 3. [4] Tabela 3. Coeficientes de Poisson para diversos materiais Material Cobre 0,34 Alumínio 0,33 Titânio 0,34 Magnésio 0,29 Níquel 0,31 Aço 0,30 Coeficiente de Poisson (ν) O coeficiente de Poisson de diversos materiais pode ser obtido em sites e livros que abordam o assunto ENSAIOS DESTRUTIVOS X NÃO DESTRUTIVOS Nos ensaios destrutivos, também chamados de quase-estáticos, a carga, que pode ser estática ou se alterar lentamente ao longo do tempo, é aplicada uniformemente sobre uma secção reta ou superfície de um corpo, e a deformação é medida e relacionada ao módulo elástico que pode ser o módulo de Young ou o módulo de cisalhamento, dependendo do tipo de ensaio. Há três maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada:tração e compressão para a determinação do módulo de Young e cisalhamento ou torcional para o módulo de cisalhamento; sendo que os ensaios de tração são os mais comuns. Já nos ensaios não destrutivos, dinâmicos ou por ultra-som, os módulos elásticos são determinados a partir da frequência de vibração natural (ressonância) do corpo de prova com amplitudes de vibração (deformação) mínimas. Para materiais isotrópicos, os módulos estão relacionados entre si pela seguinte equação (4). Quando um material é estirado, a área de seção da reta varia, assim como o seu comprimento. A razão de Poisson é a constante que relaciona essas mudanças nas dimensões do corpo de prova durante a deformação. Assim, a razão de Poisson pode ser descrita na equação 5.

10 Pode ser demonstrado que, se o volume do material permanece constante quando estirado, a razão de Poisson é 0,5. Em geral, os materiais aumentam de volume quando submetidos à tensão e, por isso, < 0,5. Para a maioria dos materiais, a razão do Poisson encontra-se na faixa entre 0,2 a 0,5. Para os elastômeros e líquidos, tende para 0,5. DEFORMAÇÃO E TAXA DE DEFORMAÇÃO EM FLUIDOS Considere agora, um fluido localizado entre duas placas planas separadas por uma distância y. Uma força é aplicada na placa superior, resultando na movimentação desta a uma velocidade constante em relação à placa inferior, fixa. Supondo que não haja deslizamento do fluido nas paredes das placas, a força aplicada pela placa no fluido será equilibrada por uma força cisalhante produzida pela viscosidade do fluido. Essa força cisalhante, pela área da placa é a chamada tensão de cisalhamento. A tensão de cisalhamento produz um escoamento viscoso, uma deformação no fluido, e um gradiente de velocidade, que é equivalente à taxa de deformação. Fluido ideal Por definição, escoamento ideal ou escoamento sem atrito, é aquele no qual não existem tensões de cisalhamento atuando no movimento do fluido. De acordo com a lei de Newton, para um fluido em movimento esta condição é obtida quando a viscosidade do fluido é nula: µ = 0 ou quando os componentes da velocidade do escoamento não mais exibem variações de grandeza na direção perpendicular ao componente da velocidade considerada: É claro que não existem fluidos cuja viscosidade é nula, porém, a ausência de forças de cisalhamento no movimento de um fluido simplifica enormemente o tratamento matemático. Além disso, a informação qualitativa obtida é extremamente útil. Um fluido que quando em escoamento satisfaz as condições acima, é chamado de fluido ideal.

11 Fluido perfeito Por definição um fluido é dito perfeito, se for incompressível (r = constante), e se sua viscosidade for nula (μ = 0). Um fluido perfeito indica a ausência de tensões de cisalhamento entre as camadas de fluido. Deste modo, duas camadas adjacentes de fluido podem se mover com velocidades diferentes (slip flow) sem afetarem-se mutuamente por forças de atrito interno. A única influência que as camadas exercem entre si é devido a sua geometria, que deve estar compatível com a fronteira sólida. Para o fluido perfeito existe a condição de deslizamento entre o fluido e a fronteira sólida. A única ação da fronteira sólida é a de orientar a direção do escoamento do fluido, Deste modo, qualquer camada do fluido pode ser substituída por uma lâmina de sólido de igual geometria, pois a configuração do escoamento não se altera. Podemos concluir, portanto, que as tensões de cisalhamento são grandezas que comunicam informações dinâmicas de uma camada de fluido para outra. Na ausência de tensões cisalhantes não há esta transmissão de informações entre as camadas de fluido. O estudo de fluidos perfeitos fornece informações qualitativas importantes, principalmente nas regiões de escoamento onde as forças viscosas são desprezíveis em relação às forças de inércia sem nenhuma ação viscosa. Fluido real A presença dos efeitos viscosos é inerente ao escoamento de fluidos reais. Os fluidos reais não apresentam uma velocidade de deslizamento finita em relação a uma superfície sólida ou sobre uma camada adjacente. A viscosidade do fluido real, que determina o grau de atrito entre as camadas de fluido e entre o fluido e a parede sólida, é responsável pela variação de velocidade (gradiente de velocidade) entre as camadas. Próximo a uma parede sólida estacionária, a velocidade de um fluido real cresce gradualmente do valor zero na fronteira sólida, até um valor limite da velocidade onde os efeitos viscosos não se fazem mais sentir. Isto é, próximo a uma fronteira sólida há a formação de uma camada de fluido onde os efeitos viscosos são mais acentuados. Esta camada é conhecida como CAMADA LIMITE. Os fluidos reais podem ser subdivididos em duas classes principais. Fluidos Newtonianos e não-newtonianos. A seguir apresentamos um sumário da classificação dos fluidos segundo o comportamento reológico. Cada fluido será detalhado nas seções subsequentes. Observe-se que o foco é dado para fluidos alimentícios.

12 Esquema de classificação dos fluidos segundo comportamento reológico. Fluidos Newtonianos O comportamento newtoniano indica que a viscosidade do alimento é independente da taxa de deformação a que ele está submetido. Possui um único valor de viscosidade, em uma dada temperatura. Exemplos: gases, água, leite, soluções de sacarose e óleos vegetais. Não newtonianos Possui a relação entre taxa de deformação e tensão de cisalhamento mais complexa, pois a viscosidade varia com a taxa de deformação e com a necessidade da tensão de cisalhamento inicial. São classificados naqueles que: possuem propriedades independentes do tempo de cisalhamento possuem propriedades dependentes do tempo de cisalhamento viscoelásticos Possuem propriedades independentes do tempo de cisalhamento As propriedades reológicas não dependem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. sem tensão de cisalhamento inicial: maioria dos fluidos não newtonianos. Pseudoplásticos: essas substâncias em repouso apresentam um estado desordenado, e quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada. Quanto maior a tensão aplicada, maior será a ordenação. Conseqüentemente, a viscosidade aparente será menor. Exemplos: polpas de frutas, caldos de fermentação, melaço de cana. Dilatantes: apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento. Uma explicação para isso, no caso de suspensões, é que à medida que se aumenta a tensão de cisalhamento, o líquido intersticial que lubrifica a fricção entre as

13 partículas é incapaz de preencher os espaços devido a um aumento de volume que freqüentemente acompanha o fenômeno. Ocorre, então, o contato direto entre as partículas sólidas e conseqüente aumento da viscosidade aparente. Exemplos: soluções de amido e soluções de farinha de milho e açúcar. com tensão de cisalhamento inicial: requerem a aplicação de uma tensão de cisalhamento superior a um certo valor para que haja deformação. Tal comportamento é considerado conseqüência de uma estrutura interna que impede a movimentação. Sob a ação de uma certa tensão, a estrutura do fluido colapsa e se inicia a deformação. Plásticos de Bingham Herschel Bulkley Possuem propriedades dependentes do tempo de cisalhamento As propriedades reológicas dependem do tempo de aplicação da tensão. Tixotrópicos: apresentam um decréscimo reversível no tempo da força tangencial necessária para manter uma taxa de deformação constante, a uma temperatura constante. Reopéticos: apresentam comportamento inverso aos tixotrópicos. Os ciclos de histereses destas substâncias dependem da velocidade de mudança da taxa de deformação. Muitas das substâncias citadas anteriormente apresentam certo grau de tixotropia ou reopeticidade que pode ser desprezado. Viscoelásticos Existem fluidos que exibem muitas características de sólidos, são os chamados viscoelásticos. Os fluidos viscoelásticos são substâncias que apresentam propriedades viscosas e elásticas acopladas. Quando cessa a tensão de cisalhamento ocorre uma certa recuperação da deformação. Exemplos: massas de farinha de trigo, gelatinas, queijos. FLUIDOS NEWTONIANOS Os fluidos Newtonianos são aqueles para os quais a viscosidade dinâmica (μ) é independente da taxa de deformação (gradiente de velocidade), isto é, a viscosidade na expressão da lei de Newton é uma constante para cada fluido Newtoniano, a uma dada pressão e temperatura. Um diagrama típico da tensão de cisalhamento (τ yx ) em função da taxa de deformação (dv x /dy) é mostrado na figura 4 que se segue (a). A tensão de cisalhamento (τ yx ) é proporcional ao gradiente de velocidade (dv x /dy), e o coeficiente angular dareta é a viscosidade dinâmica (μ).

14 Calculando-se a inclinação da curva em cada ponto a viscosidade do fluido pode ser determinada. Exemplos de alimentos que são fluidos newtonianos: água, leite e soluções de açucar, FLUIDOS PSEUDOPLÁSTICOS E DILATANTES Embora o conceito de viscosidade clássica seja comumente usado para caracterizar um material, ele pode ser inadequado para descrever o comportamento mecânico de determinadas substâncias líquidas (fluidos não-newtonianos), nos quais a viscosidade aparente não é constante durante o escoamento. Estas substâncias são melhor estudados através de suas propriedades reológicas que mostram as relações entre a tensão aplicada nesta substância e a taxa de deformação sob diferentes condições de escoamento. A obtenção destas propriedades reológicas é feita através de viscômetros. Estas propriedades são encompassadas nas equações constitutivas na forma tensorial, que são comuns no campo da mecânica do contínuo, ou na forma escalar através de definições de taxas de deformação efetiva e tensão de cisalhamento efetiva. Entre os fluidos cuja viscosidade não depende do tempo os modelos primários são o Pseudoplástico e o Dilatante. No fluido Pseudoplástico, a viscosidade aparente diminui conforme o aumento da tensão. Já nos fluidos Dilatantes a viscosidade aparente aumenta conforme o aumento da tensão Um exemplo barato e não tóxico de um fluido não-newtoniano pode ser feito facilmente adicionando-se amido de milho a uma xícara de água. Adicione o amido em porções pequenas e misture devagar. Quando a suspensão estiver próxima da concentração crítica tomando a consistência de um creme de leite a também chamada propriedade "dilatante" deste fluido não newtoniano se torna aparente. A propriedade pseudoplástica torna-se evidente na agitação de molho de tomate, onde temos uma diminuição da viscosidade.

15 Os pseudoplásticos representam a maior parte dos fluidos que apresenta comportamento nãonewtoniano. De acordo com VIDAL BEZERRA (2000), esse comportamento pode ser explicado pela modificação da estrutura de cadeias longas de moléculas com o aumento do gradiente de velocidade. Essas cadeias tendem a se alinhar, paralelamente, às linhas de corrente, diminuindo a resistência ao escoamento. Os produtos que se comportam como fluidos pseudoplásticos tendem a apresentar um comportamento newtoniano, quando submetidos a grandes gradientes de velocidade, provocado pelo total alinhamento molecular. Por outro lado, sob baixas taxas de deformação, a distribuição, completamente, casual das partículas, também, induz a esse tipo de comportamento. Os fluidos pseudoplásticos, durante o escoamento, podem apresentar três regiões distintas: região de baixas taxas de deformação, região de taxas de deformação médias e região de altas taxas de deformação, como mostra a figura a seguir. Na região newtoniana de baixas taxas de deformação, a viscosidade aparente (η o ), chamada de viscosidade limitante à taxa de deformação zero, não varia com a taxa de deformação aplicada. Na região de taxas de deformação médias, a viscosidade aparente (η) diminui com o aumento da taxa de deformação (comportamento pseudoplástico) e, na região de altas taxas de deformação, a viscosidade aparente (η ) volta a ficar constante e é chamada de viscosidade limitante a taxas de deformação infinitas. Segundo Steffe (1996), a região de taxas de deformação médias é a mais importante para a consideração de dada performance de equipamentos para processamento de alimentos, sendo que a região newtoniana de baixas taxas de deformação pode ser importante em problemas que envolvam baixas deformações, como é o caso de sedimentação de partículas em fluidos. FLUIDO PLÁSTICO DE BINGHAM Entre os fluidos com viscosidade independente do tempo, outro modelo clássico, envolve a necessidade de uma tensão mínima para inicio da deformação. Trata-se do fluido Plástico de Bingham que caracteriza-se por apresentarem uma tensão inicial ou residual, a partir da qual o fluido apresenta uma relaçãon linear entre tensão de cisalhamento e taxa de deformação.

16 Herschel-Bulkley Também chamado de Bingham generalizado. Este tipo de fluido também necessita de uma tensão inicial para começar a escoar. Entretanto, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não é linear. Esta relação depende do expoente adimensional n, característico para cada fluido. Fluidos não-newtonianos com comportamento reológico dependente do tempo (Reopépticos e Tixotróficos) A dependência do tempo em fluidos não newtonianos é observada com certa freqüência. Como se poderia esperar, o tempo, variável adicional, condiciona a análise. Um indício do comportamento reológico dependente do tempo de um fluido é a observação da chamada curva de histerese. Para que seja possível verificar se o fluido apresenta ou não viscosidade aparente dependente do tempo, deve ser realizado um estudo reológico onde a substância em análise deve ser submetida a um aumento na variação de tensão (ida) e, quando essa atingir um valor máximo, ser reduzida até retornar ao valor inicial (volta). Se a substância não apresenta comportamento reológico dependente do tempo, as curvas de tensão versus taxa de deformação obtidas (ida e volta) devem ser coincidentes. Entretanto, se a viscosidade aparente muda com o tempo, as curvas de ida e volta não seguem o mesmo caminho, formandouma histerese. As curvas típicas de tensão versus taxa de deformação dos fluidos que apresentam comportamento reológico dependente do tempo podem ser observadas na figura a seguir. Os Fluidos Tixotrópicos caracterizam-se por apresentar um decréscimo na viscosidade aparente com o tempo de aplicação da tensão. No entanto, após o repouso, tendem a retornar à condição inicial de viscosidade. O comportamento tixotrópico é encontrado em produtos como tinta, catchup, pastas de frutas,etc. Os Fluidos Reopéticos caracterizam-se por apresentar um acréscimo na viscosidade aparente com o aumento da taxa de deformação. Assim como os fluidos tixotrópicos, após o repouso, o fluido tende a retornar ao seu comportamento reológico inicial. Podem-se citar como exemplos de fluidos reopécticos as suspensões de amido e de bentonita, além de alguns tipos de sóis. No entanto, esse tipo de comportamento não é muito comum em alimentos.

17 Formulação Matemática Os fluidos reais podem ser subdivididos em duas classes principais. Fluidos Newtonianos e não-newtonianos. Os fluidos Newtonianos são aqueles para os quais a viscosidade dinâmica (μ) é independente da taxa de deformação ( ) e do gradiente de velocidade ( ), isto é, a viscosidade na expressão da lei de Newton é uma constante para cada fluido Newtoniano, a uma dada pressão e temperatura. Matematicamente esta relação pode ser representada por: Fluidos não-newtonianos Com a finalidade de simplificar a notação, a taxa de deformação (gradiente de velocidade) será representada por D. A viscosidade de um fluido não-newtoniano será representada pela letra η. De um modo geral, os fluidos não-newtonianos, podem ser divididos em três categorias principais, a saber. 1) Fluidos para os quais a viscosidade depende apenas da taxa de deformação. η = η (D) Esses fluidos são aqueles cujas características reológicas são invariantes com o tempo e por isso mesmo são chamados de time-independent fluids. 2) Fluidos de natureza física mais complexa, para os quais a relação (η) entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação depende da própria taxa de deformação, do tempo durante o qual o fluido foi mantido sob a ação da tensão cisalhante e também da variação com o tempo da taxa de deformação. Em outras palavras, as características do fluido são dependentes da história do fluido, são chamados time dependent fluids. 3) Fluidos que apresentam características de sólidos elásticos e também de líquidos viscosos. São chamados fluidos visco-elásticos, (ex.: pixe). Fluidos time independents Esta categoria de fluidos não-newtonianos pode ainda ser subdividida em dois tipos. Fluidos que apresentam uma tensão crítica de cisalhamento Este tipo de fluido constitui o desvio mais simples do comportamento do fluido newtoniano. O principal representante deste tipo de fluido é o chamado fluido plástico de Bingham. Bingham verificou que certas tintas e suspensões de pigmentos apresentam uma tensão crítica de cisalhamento, isto é, para que possa haver escoamento do fluido é necessário que o valor dessa tensão crítica (representada por τ o ) seja ultrapassada. O comportamento reológico deste tipo de fluido pode ser representado pela seguinte equação: τ = η D + τ 0 se τ > τ 0 (1) e D = 0 se τ < τ 0 (2) A equação 2 indica que para valores de τ < τ 0 não há escoamento, isto é, não há deformação do fluido (D = 0).

18 Pela equação (1) pode-se verificar que para valores de tensão cujo τ > τ 0 o fluido escoa como se fosse fluido Newtoniano, isto é, na fase de escoamento o comportamento reológico do fluido de Bingham pode ser caracterizado pela lei de Newton da viscosidade. Para este tipo de fluido, a curva de escoamento ou reograma seria da forma: Em analogia com os fluidos Newtonianos, a viscosidade aparente de um fluido de Bingham é dada por: Cabe aqui uma observação: a equação acima é apenas uma maneira de se representar a viscosidade aparente pois t e D são tensores e como tal não podem ser divididos. Pode-se efetuar os cálculos quando se trabalhar com componentes de tensor. Fluidos que não apresentam uma tensão crítica de cisalhamento. Este tipo de fluido é o mais encontrado e um dos modelos utilizados para representar suas características reológicas é o de Ostwald-de-Waele (Power-Law Fluids). A equação que descreve o comportamento deste tipo de fluido é: onde: n índice de comportamento do escoamento, (index flow behaviour) K índice de consistência do fluido, (index of fluid consistency) O índice n indica o desvio em relação ao comportamento Newtoniano. Para n = 1 temos K = μ fluido Newtoniano Para um dado valor de n e D, quanto maior o valor de K, mais viscoso é o fluido, isto é, o fluido apresenta maior consistência. Um reograma típico de um fluido power-law é: O modelo de Ostwald-de-Waele é um modelo empírico com duas constantes a determinar. Para valores moderados da taxa de deformação (D), ele representa com bastante precisão as

19 características reológicas da maioria dos fluidos time independent sem tensão crítica de cisalhamento, porém este modelo falha completamente para valores extremos da taxa de deformação. Experimentalmente é sabido que nessas regiões os fluidos time independent apresentam um comportamento reológico que pode ser descrito pela lei da viscosidade de Newton. Este modelo, portanto, não pode ser usado para descrever o comportamento destes fluidos nestas regiões. Este fato pode ser demonstrado se considerarmos a expressão da viscosidade aparente para os fluidos time independents descritos pelo modelo de Ostwald-de-Waele: Para n = 1 não há problema, pois Para n 1 a viscosidade aparente é função de Dn-1 e para D 0 ou D,a ηa assume valores externos (0 ou ), o que fisicamente é um absurdo pois, um fluido real apresenta sempre um valor finito de viscosidade. Uma outra limitação do modelo de Ostwald-de-Waele é que a constante K depende da constante n. Para n= 1 temos K =M/LT que é a dimensão da viscosidade Apesar das limitações, este modelo tem sido extensivamente utilizado em trabalhos teóricos e experimentais. Da equação (4), um gráfico de a η a em função de D para um fluido power law é do tipo:

20 Para se determinar as características reológicas de um fluido power law pode-se utilizar o método gráfico. Em um papel log-log os valores de τ e D medidos se ajustam em uma linha reta, o que se pode verificar tirando-se o logaritmo da equação (4). A inclinação da reta fornece o valor de n (no caso de n = 1 a inclinação da reta é de 45 o ). O valor de K é obtido diretamente pela interseção da reta com a vertical que passa por D = 1. Modelo de Ellis: Para levantar as limitações impostas pelo modelo de Ostwald-de-Waele, Ellis sugeriu um modelo empírico da forma: onde A, B e α são parâmetros característicos do fluido. Este modelo inclui ao mesmo tempo o modelo de Ostwald-de-Waele e o de Newton. A = 0 modelo de Ostwald-de-Waele B = 0 modelo de Newton Além disso: Se α < 1, o modelo de Ellis se aproxima do modelo de Newton para altos valores da tensão de cisalhamento,τ. Se α > 1, o modelo de Ellis se aproxima do modelo de Newton para baixos valores de τ. Essas conclusões podem ser mais facilmente verificadas se considerarmos o modelo de Ellis na seguinte forma: A inclusão de um terceiro parâmetro reológico do fluido, torna a solução matemática do problema de escoamento bem mais complicada e, portanto, deve-se analisar com cuidado as condições de operação a fim de se decidir sobre o modelo reológico a ser usado. Outros modelos

21 Vários outros modelos foram propostos, ao longo do tempo, para descrever o comportamento reológico de fluidos. A escolha do melhor modelo depende, além do ajuste, da descrição do fenômeno, da explicação comportamental que se busca. Em alguns casos, o modelo é recomendado por associações ou órgãos de controle, o que acaba por levar ao seu uso mais extenso. Um exemplo é o caso do Modelo de Windhab para chocolate. A ideia por trás da modelagem provê meios para representar uma larga quantidade de dados reológicos em termos de uma simples expressão matemática. Muitas formas de equações são possíveis, no entanto, um modelo geral que se aplique a todas as situações não existe. A Tabela 4 mostra exemplos de modelos aplicados a fluidos plásticos. A Tabela 5 mostra Tabela 4. Exemplos de modelos aplicados a fluidos plásticos VISCOELASTICIDADE Reologia inclui o estudo da deformação e recuperação de um material, que exibe características de sólido elástico e de líquido viscoso, ou seja, considerado viscoelástico. Podemos definir que as amostras viscoelásticas apresentam inicialmente comportamento sólido e posteriormente líquido. Iniciamos a descrição desta propriedade diferenciando o comportamento de um sólido e de um líquido quando submetidos à tensão de cisalhamento.

22 Um sólido ideal, denominado de sólido de Hooke, submetido a uma tensão constante (força), sofrerá distensões em todas as direções e a quantidade de distensão é controlada pela quantidade de tensão. A distensão é mantida até que a tensão seja removida, a qual terá uma completa e instantânea recuperação quando a tensão é removida. O processo ocorre instantaneamente, portanto o tempo não é uma variável. (Rohn,1995) Em oposição a esse comportamento, um líquido ao ser submetido a uma tensão, deforma iniciando imediatamente o fluxo, não recuperando a forma inicial. Um fluido ideal, Newtoniano, que não apresenta característica elástica inerente ou estrutura de gel, nem possui alta viscosidade, como a água ou óleo ao ser submetido a uma tensão constante escoará enquanto a tensão for mantida. Portanto, o estiramento do líquido é função de 2 variáveis: tensão e tempo. (Rohn,1995) As dispersões de polímeros, os sistemas multifásicos. materiais com tecidos estruturais e semisólidos tais como pastas e géis são viscoelásticos por apresentarem comportamento híbrido elástico e viscoso, Ao aplicar uma tensão em um material viscoelástico. o seu componente sólido elástico distende instantaneamente na proporção da magnitude da tensão aplicada. A extensão da distensão é referenciada como deformação angular (usualmente em frações de radiano) ou distensão angular (strain) ou distensão em razão da tensão aplicada. Devido à imposição da tensão constante a amostra sofre distensão crescente (semelhante ao estiramento elástico). Na fase inicial entre períodos de poucos segundos ou de muitos minutos, a amostra pode continuar a distender primeiramente em alta velocidade, mas vagarosamente ao longo do tempo. Este período de tempo constitui a combinação entre a distensão elástica e deformação viscosa uma vez que os componentes com estrutura elástica da amostra alcançam a sua distensão de estiramento máximo, toda a subsequente deformação é verdadeiramente viscosa e portanto não recuperável, da mesma forma que ocorre com o fluxo. Os dados de viscoelasticidade podem ser úteis no entendimento de alguns processos como estabilidade de emulsões e extrusão. Também é uma ferramenta valiosa no desenvolvimento de produtos, pois fornece parâmetros que podem ser relacionados à estrutura do material. Na indústria de alimentos o desenvolvimento de novos produtos demonstra a necessidade de ingredientes funcionais, em particular de macromoléculas formadoras de estrutura nos alimentos de baixas calorias, que apresentam função de espessante, geleificante, emulsificante ou ainda evitar a sinerese (exsudação espontânea). A medida da viscoelasticidade pode ser feita por métodos estáticos e dinâmicos, porém somente através de ensaios oscilatórios (dinâmicos), as propriedades podem ser medidas simultaneamente. A resposta dinâmica de materiais viscoelásticos pode ser usada para dar informação sobre o aspecto estrutural de um sistema a nível molecular ou predizer o comportamento em escala macroscópica, desde que o ensaio seja feito dentro do intervalo de viscoelasticidade linear. Os líquidos viscoelásticos frequentemente contêm uma rede de moléculas tridimensional que se deformam elasticamente devido às grandes moléculas. Na deformação oscilatória de líquidos viscoelásticos, somente parte da energia aplicada é recuperada, porque uma parte da rede tridimensional tende a escoar sob tensão. Redes mais resistentes à ruptura possuem maior componente elástico. O armazenamento e perda de energia associados a elasticidade e à viscosidade do material, respectivamente, podem ser ilustrados quando uma bola é batida no chão. Quanto menos elástico for o material da bola, mais baixa será a altura alcançada pela mesma. Um material viscoelástico responde como: Um sólido em intervalos de tempo curtos (alta frequência) e um líquido em intervalos de tempo longos (baixa frequência) Para auxiliar o entendimento do conceito de reaçao a tensão constante, imagine retirando uma colherada de maionese do frasco e permanecendo dessa forma por um tempo. A maionese inicialmente murchará" devido ao seu próprio peso ou mais precisamente devido a constante tensão da gravidade. A intensidade dessa depressão inicial na maionese está correlacionada com a magnitude da distensão elástica a qual pode ser vista no teste da deformação (creep). A maionese ao permanecer por um determinado período nesse estado acaba escoando - nivelamento da colherada sob contínua constante de tensão da gravidade.

23 MEDIDA DE VISCOELASTICIDADE O teste de deformação é uma técnica disponível apenas em reômetros com tensão de cisalhamento controlada, este parâmetro revela características sobre a natureza viscoelástica do material, informação não conseguida simplesmente com a medida de viscosidade ou tensão de deformação inicial. Para realizar o teste de deformação aplica-se uma tensão baixa e constante sobre a amostra por um determinado período de tempo. A resposta da amostra à tensão aplicada, quanto à distância e velocidade com que se moveu em função do tempo é a propriedade de deformação de um material. Quando a deformação é pequena, ou é aplicada de forma muito lenta, os arranjos moleculares estão próximos ao equilíbrio. Nesse caso, a resposta mecânica é apenas uma reflexão dos processos dinâmicos a nível molecular que mudam constantemente e isso ocorre mesmo quando o sistema está em equilíbrio. Este é o domínio da viscoelasticidade linear. As magnitudes de tensão e deformação estão linearmente relacionadas e o comportamento de qualquer líquido é completamente descrito como uma simples função do tempo. GEOMETRIA VANES (ALETAS) A última consideração sobre equipamento apropriado para medir materiais com tensão de deformação inicial deve-se levar em conta os fatores necessários para evitar depleção de parede ou artefatos falsos que frequentemente aparecem em medidas com baixa taxa de cisalhamento em líquidos altamente estruturados. A geometria mais largamente usada e adequada para medir a tensão de deformação com o propósito de eliminar o efeito de parede é a geometria de aletas (as aletas são utilizadas ao invés de um cilindro de uma polegada), com sua diversidade no número de aletas e aspectos de dimensão proporcional. Isto oferece a possibilidade de inserir aletas finas dentro de amostras em repouso ou armazenadas com um mínimo de distúrbio. O uso de aletas em velocidade de rotação muito alta deve ser excluído devido à formação de fluxo secundário que se desenvolve atrás das aletas. Análises teóricas desta geometria têm sido disseminadas por vários pesquisadores que concluíram que para tensão de deformação / líquidos muito finos, a geometria de aleta atua como um cilindro circunscrito definido pela ponta das pás das aletas, com o material inserido no cilindro virtual, agindo essencialmente como um corpo sólido e o material fora sendo cisalhado no caminho normal. Isto assegura que o artefato falso é completamente sobreposto pela rotação. MEDIÇÕES DE VISCOSIDADE Existem quatro tipos básicos de viscosímetros:

24 1. Viscosímetro capilar. A viscosidade é medida pela velocidade de escoamento do líquido através de um capilar de vidro. É medido o tempo de escoamento do líquido entre duas marcas feitas no viscosímetro. A figura 5 apresenta 3 tipos de viscosímetro capilar. Figura 5. Tres tipos de viscosímetro capilar: (a) Ostwald; (b) Cannon-Fenske; (c) Ubbelohde. (d) Viscosímetro de orificio tipo copo de Ford. Figura 6. Viscosímetro de Ostwald

25 Viscosímetro de Cannon-Fenske viscosímetro Saybolt/furol O viscosímetro Saybolt/furol está baseado no tempo de passagem de um determinado volume do fluido através de tubos capilares. Permite determinar a viscosidade Saybolt Universal e Saybolt Furol a temperaturas que variam entre 21 e 135 C. O ensaio baseia-se na medição dos segundos que uma quantidade padrão de amostra consome para fluir através de um furo padronizado, a uma temperatura constante e muito precisa. Consta de um tubo vertical metálico em cuja parte central inferior adapta-se o orifício calibrado que pode ser o universal, diâmetro 1,765 mm ou o furol, diâmetro 3,15 mm. O Conjunto fica imerso em um banho de óleo que envolve o tubo em toda sua extensão e que por finalidades básicas: a) no aquecimento ; propicia uniformidade na transferência de calor do banho para a amostra. b) na determinação ; manutenção da temperatura da amostra durante o escoamento. Na operação usam-se dois termômetros, um para a temperatura do banho (tb) e outro para a temperatura da amostra (ta), um cronômetro e um frasco receptor de 60 ml. A condição térmica de equilíbrio para a determinação da viscosidade Saybolt à temperatura, ta é : t b - t a 2º C Para determinar-se a viscosidade fecha-se o orifício com uma rolha a qual se prende uma corrente. Enche-se o tubo Saybolt com o óleo em análise e aquece-se o banho. Atingindo o equilíbrio térmico na temperatura desejada, retira-se a rolha e cronometra-se o tempo de escoamento de 60 ml da amostra. O tempo em segundo de escoamento de 60 ml da amostra, através o orifício calibrado do aparelho, nas condições padronizadas de ensaio é a viscosidade Saybolt na temperatura do equilíbrio térmico. Será SSU (Segundo Saybolt Universal) se o orifício for universal, será SSF(Segundo Saybolt Furol ) se o orifício for o Furol. SSF é recomendada para os derivados do petróleo que tem viscosidade superior à SSU, tais como óleos combustíveis e outros produtos residuais. A palavra Furol deriva da expressão inglesa (Fuel and Road Oils). O frasco receptor deve ser colocado em posição tal que o filete da amostra que sai do tubo atinja a parte mais larga do gargalo a fim de evitar a formação de espuma. O cronômetro deve ser travado no instante em que a parte inferior do menisco do óleo atinja o traço de referencia no gargalo do frasco receptor. Antecedendo a cada determinação deve-se limpar o tubo com óleo novo.

26 2. Viscosímetro de orifício. A viscosidade é medida pelo tempo que um volume fixo de líquido gasta para escoar através de um orifício existente no fundo de um recipiente. Entre estes viscosímetros um exemplo é o Copo Ford neste tipo de viscosímetros, furos permutáveis são acoplados a um suporte. O Viscosímetro é pré calibrado e define-se uma faixa de tempos na qual este opera com precisão ( por exemplo:20 a 100 s). A temperatura do fluido também dever ser a mesma da calibração do aparelho. Para medir a viscosidade, seleciona-se, primeiramente, o orifício adequado. A diretriz para aseleção do orifício deve ser a obtenção de um tempo de escoamento do líquido em teste mais próximo possível do centro da faixa de precisão do viscosímetro (em torno de 60s, no nosso exemplo). Na medição, fecha-se o orifício (em alguns casos basta cobri-lo com o dedo), derrama-se o líquido devagar, evitando bolhas, remove-se o excesso de líquido (geralmente com uma placa plana). Abre-se o furo e começa-se a marcar o tempo, quando o líquido começar a pingar. Observe-se que a precisão do ensaio depende de precisão do cronômetro (Geralmente não se trabalha com valores inferiores a 0,1 s). O resultado obtido (tempo) deve ser levado a uma formula específica para cada furo que o converterá em valores de viscosidade. Os orifícios são calibrados usando-se óleos minerais específicos.

27 3. Viscosímetro rotacional. A viscosidade é medida pela velocidade angular de uma parte móvel separada de uma parte fixa pelo líquido. Nos viscosímetros de cilindros concêntricos, a parte fixa é, em geral, a parede do próprio recipiente cilíndrico onde está o líquido. A parte móvel pode ser no formato de palhetas ou um cilindro. Nos viscosímetros de cone-placa, um cone é girado sobre o líquido colocado entre o cone e uma placa fixa 4. Viscosímetro de esfera. A viscosidade é medida pela velocidade de queda de uma esfera dentro de um líquido colocado em um tubo vertical de vidro. É medido o tempo que uma esfera gasta para percorrer o espaço entre duas marcas feitas no viscosímetro. Um exemplo deste tipo de viscosímetro é o viscosímetro de Hoppler que mede o tempo que uma esfera sólida precisa para percorrer uma distância entre dois pontos de referência dentro de um tubo inclinado com amostra. Os resultados obtidos determinam-se como viscosidade dinâmica na medida estandardizada no Sistema Internacional (mpa s). Este tipo de viscosímetro determina a viscosidade de líquidos Newtonianos e gases (com uma bola especial para gases), com precisão. Principalmente para substâncias de baixa viscosidade, entre 0,6 e mpa s, como: - Indústria de azeites minerais (azeites, líquidos hidrocarbonos) - Indústria alimentar (soluções de açúcar, mel, cerveja, leite, gelatina, sucos de frutas) - Indústria química (soluções de polímeros, disolventes, soluções de resinas, dispersiones de látex, soluções adhesivas) - Indústria Cosmética/Farmacêutica (matérias primas, glicerina, emulsiones, suspensões, soluções, estractos) - Indústria petrolífera (cru, azeite para máquinas, petróleo) - Combustíveis (petróleo, azeite diesel e parafina) - Indústria de papel (emulsiones, dispersiones de pigmentos, aditivos do papel) - Pinturas e vernizes (tintas para impressão, vernizes, aquarelas, tintas) - Detergentes

28 Figura 6. Diagrama de viscosímetros: (a) cilindros concêntricos; (b) cone-placa; (c)viscosímetro de esfera. A escolha do tipo de viscosímetro a ser utilizado depende do propósito da medida e do tipo de líquido a ser investigado. O viscosímetro capilar não é adequado para líquidos não newtonianos, pois não permite variar a tensão de cisalhamento, mas é bom para líquidos newtonianos de baixa viscosidade. O viscosímetro rotacional é o mais indicado para estudar líquidos não-newtonianos. O viscosímetro de orifício é indicado nas situações onde a rapidez, a simplicidade e robustez do instrumento e a facilidade de operação são mais importantes que a precisão e a exatidão na medida, por exemplo, nas fábricas de tinta, adesivos e óleos lubrificantes. Os viscosímetros podem, ainda, ser classificados em dois grupos: primário e secundário. No grupo primário estão os instrumentos que realizam medidas diretas da tensão e da taxa de deformação do fluido. Instrumentos com diversos arranjos podem ser concebidos para este fim: entre eles há o de disco, o de cone-disco e o de cilindro rotativo, todos eles visando a reprodução do escoamento entre placas planas paralelas. Os viscosímetros do grupo secundário inferem a razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação por meios indiretos, isto é, sem medir a tensão e deformação diretamente. Nesta categoria estão o viscosímetro capilar, no qual a viscosidade é obtida por meio da medida do gradiente de pressão de um escoamento laminar em um tubo e o viscosímetro de Stokes, onde ela é determinada através de medições do tempo de queda livre de uma esfera através de um fluido estacionário, Um viscosímetro do tipo primário é o Brookfield, muito popular pela facilidade de manuseio. A Figura 7 abaixo mostra um viscosímetro Brookfield e seus vários "spindles" (junto à base, à direita na figura), cada um apropriado para medir a viscosidade de fluidos em uma faixa específica: os de menor diâmetro, as maiores viscosidades; os de maior diâmetro, as menores viscosidades.

29 Figura 7. Um viscosímetro Brookfield e seus vários "spindles" TEXTURA O termo textura, inicialmente, estava relacionado somente a alimentos sólidos, e os termos viscosidade e consistências eram usados para líquidos e semi-sólidos, respectivamente. Porém, a partir da década de 70, o termo textura tem sido definido como atributo sensorial primário tanto para sólido como para semi-sólidos e líquidos. A textura é um dos fatores mais importantes entre os que afetam a preferência e aceitação dos alimentos por parte dos consumidores. No entanto, é difícil definir qual é a textura correta de um alimento, uma vez que não existem texturas boas ou ruins, mas sim a preferência dos consumidores. Em termos sensoriais, uma das propriedades mais importantes dos alimentos sólidos é a textura. Contudo, a textura é uma propriedade de muito difícil definição. A norma ISO de 1992 apresenta a seguinte. Textura é o conjunto de propriedades mecânicas, geométricas e de superfície de um produto, detectáveis pelos receptores mecânicos e tácteis e, eventualmente pelos receptores visuais e auditivos

30 Outra definição possível seria: Um conjunto de propriedades físicas, percebidas sensorialmente (VISÃO (excepto a cor), AUDIÇÃO, TACTO), que são consequência da estrutura interna do material, que por sua vez é determinada pelas interacções moleculares dos seus constituintes. Portanto, textura refere-se às propriedades reológicas e estruturais (geométricas e de superfície) dos produtos. Geralmente é percebida por três ou quatro sentidos: os receptores mecânicos, táteis e, eventualmente, os visuais e auditivos. Relaciona-se com asensibilidade térmica e cinestésica. A avaliação da textura é mais complexa nos alimentos sólidos, como nos ensaios de corte, compressão, relaxação, penetração, cisalhamento, dobramento, etc. O julgador deve utilizar a pele da mão, da face e/ou da boca (cavidadebucal e dentes). Quando avaliado pela boca pode ser defnido como sensação bucal, utilizando-se também termos como: adstringente, metálico, quente, frio, etc. Algumas sensações são também nasais, como: pungente, refrescante, etc. Uma listagem de termos próprios pode ser utilizada para melhor defnição das propriedades de textura (Veja Tabela 5). A avaliação sensorial oferece a oportunidade de obtenção de uma análise completa das propriedades de textura de um alimento. Não há instrumento com a gama de movimentos como a boca ou que possa mudar prontamente a velocidade e o modo de mastigar em resposta a sensações recebidas durante a mastigação prévia. No entanto, muitas vezes é suficiente determinar o atributo ou atributos que mais influem na sensação percebida sensorialmente. Quando ocorre este tipo de caso, o normal, na prática, é desenvolver ou adaptar métodos instrumentais que possam medir este atributo com maior precisão e rapidez. Mas é importante não esquecer que toda medida instrumental deve ser calibrada com relação às determinações sensoriais. As definições dos atributos citados na Tabela 5 podem ser encontradas na literatura, por intermédio de um glossário de termos empregados em análise sensorial. Exemplos: consistente = propriedade de fluxo detectada pela estimulação dos receptores mecânicos e táteis, especialmente na cavidade oral, e que varia com a textura do produto; cristalino = relativo à forma e orientação das partículas ou cristais de um produto, como o açúcar cristal; crocante = produto duro que ao ser quebrado produz som característico, como da batata frita chips ; efervescente = aquele que desprende gás carbônico na superfície, observado em bebidas gaseificadas ou carbonatadas; esfarelenta= que esfarela ou desintegra, como o bolo-de-fubá; fibrosa = propriedade da textura em relação à percepção da forma e presença de partículas, como fibras do palmito e mangaespada; gomosa = relativa à energia necessária para desintegrar um produto semi-sólido a fim de que possa ser ingerido, resultado de um fraco grau de dureza e alto grau de coesão, como focos de aveia bem cozidos. Líquido, ralo, untuoso, viscoso = propriedade de resistência ao escoamento, como a água (baixa), leite (média-baixa), creme de leite(média), cuja correspondência pode ser a viscosidade; macio, firme, dura = relativa à força necessária para obter dada de formação, penetração e/ou cizalhamento, como o queijo cremoso (macio-baixa resistência); azeitona (firme-média resistência); bala (dura-alta resistência); translúcida = aquela substância que permite a passagem da luz, mas não permite a distinção de uma imagem distinta; transparente = aquela substância que permite a passagem da luz e o aparecimento de uma imagem nítida. Do conceito sensorial se deduz que a textura não é uma propriedade simples, mas um conjunto de propriedades. Tentar obter uma medida objetiva de textura, portanto, está muito longe da medida de uma característica única. Apesar de existirem fatores geométricos, químicos, térmicos, acústicos e fisiológicos que possam tem um papel importante na avaliação da textura, se pode afirmar que o estímulo da percepção da textura é principalmente mecânico e, em conseqüência, quase todos os métodos instrumentais de avaliação de textura são ensaios mecânicos.

31 Tabela 5. Atributos de aparência, textura e cor comuns a produtos alimentícios Para avaliar a textura de alimentos sólidos se podem utilizar métodos fundamentais, empíricos ou imitativos. Os fundamentais medem propriedades reológicas, os empíricos medem variáveis que estão relacionadas com atributos mecânicos que não estão definidas de acordo com as leis de ciência dos materiais e os imitativos tentam reproduzir condições similares às de consumo dos alimentos. Os métodos fundamentais apresentam limitações na avaliação de textura de alimentos. São baseados em medidas reológicas. Para interpretar corretamente seus resultados são necessários os conhecimentos da mecânica de deformação de corpos e as leis da física que as regem. Praticamente não há setor dentro de uma indústria de alimentos que não conte com algum instrumento de medida empírica para controlar as características de textura mais importantes em seus produtos. Atualmente encontra-se no mercado uma grande diversidade de instrumentos de características diferentes e baseados em princípios totalmente distintos. Do ponto de vista prático, esses instrumentos podem ser divididos em dois grupos: os que são capazes de medir somente um parâmetro: