Testes de tração são utilizados com menos frequência do que o ensaio de compressão na análise de alimentos e biomateriais, principalmente porque é mais desafiador fixar as amostras de forma que se aplique uma carga de tração limpa. Uma fixação inadequada leva a concentrações de tensão, falhas prematuras nas garras e dados difíceis de interpretar.
Este artigo apresenta abordagens práticas para o design de amostras, seleção de garras (grips, rigs) e dispositivos específicos para cada tipo de material, com referência particular a ensaios realizados em um analisador de textura TA.XTplusC da fabricante inglesa Stable Micro Systems. O foco está em obter falhas na seção útil da amostra e medições reprodutíveis de resistência à tração, extensibilidade e parâmetros relacionados.
Testes de tração: Projeto da amostra e localização da falha
Se uma barra de seção transversal uniforme for fixada diretamente em ambas as extremidades e submetida à tração, a compressão local e a deformação nas garras geram concentrações de tensão. Isso favorece a ocorrência de falha próxima à fixação, em vez de na região central de interesse.
Para contornar esse problema, as amostras para testes de tração geralmente são projetadas para serem:
- Mais largas nas extremidades fixadas, aumentando a área de suporte de carga e reduzindo a tensão local.
- Mais estreitas na seção útil (região de medição), de modo que a máxima tensão e deformação ocorram longe das garras.
Na prática, a tensão é calculada utilizando a menor área de seção transversal na região útil:
Tensão, σ = F / A
Deformação, ε = ΔL / L₀
onde F é a força aplicada, A é a menor área de seção transversal, ΔL é o alongamento e L₀ é o comprimento inicial da seção útil.
A geometria correta da amostra é um pré-requisito para obter dados confiáveis em testes de tração, independentemente do tipo de garra ou dispositivo utilizado.
Testes de tração com garras de uso geral e suas aplicações
A Stable Micro Systems, fabricante número um em análise de textura no mundo, desenvolveu uma linha de dispositivos de tração para atender diferentes geometrias de amostras e propriedades de superfície a fim de se obter testes de tração de sucesso. A seleção da garra adequada é fundamental para evitar deslizamento, danos locais e falhas induzidas pela fixação.
Tensile Grips (Garras de Tração)
As garras de tração de uso geral utilizam superfícies serrilhadas (knurled) para fixar amostras de até 25 mm de espessura e 37 mm de largura. Elas são adequadas para:
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Tiras de materiais semi-rígidos
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Amostras simples no formato “dog-bone”
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Filmes ou lâminas convencionais onde uma fixação mecânica firme é aceitável
Em alguns casos, apenas a garra superior é utilizada para ensaios do tipo suspensão ou quando o suporte inferior é definido por outro dispositivo — como demonstrado em um vídeo de opções de testes de tração.
Self Tightening Roller Grips
As garras de rolete autoapertantes, chamadas de Self Tightening Roller Grips, utilizam roletes com mola e superfície cruzada (texturizada) para fixarem a amostra. À medida que a força de tração aumenta, a fixação se intensifica automaticamente sobre a amostra. Essas garras são particularmente úteis para:
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Superfícies lisas ou de baixo atrito;
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Materiais que sofrem redução significativa de espessura ao serem alongados, como alguns elastômeros ou filmes finos.
O mecanismo de autoaperto ajuda a manter a pressão de contato conforme a amostra sofre estricção (necking), reduzindo o deslizamento e melhorando a repetibilidade das medições de resistência à tração e ao rasgo.
Miniature Tensile Grips
As garras de tração em miniatura possuem faces de fixação menores, com abertura máxima de 8 mm. Elas são vantajosas quando:
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O curso disponível é limitado, por exemplo, em um analisador de textura TA XT Express C.
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Amostras pequenas ou delicadas exigem áreas de fixação proporcionalmente menores.
Essas garras permitem a realização de testes de tração em espaços de teste mais compactos, mantendo condições de fixação bem definidas.
Pneumatic Grips
As garras pneumáticas utilizam ar comprimido para acionar braços de alavanca que fixam a amostra. As principais vantagens são:
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Pressão de fixação controlada com precisão, ajustável por meio da pressão de ar até um máximo de 10 bar;
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Força de fixação constante, mantida mesmo que a amostra sofra fluência (creep) ou deformação na interface com a garra;
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Redução da ocorrência de falhas na região de fixação, uma vez que a força pode ser otimizada para evitar tanto o deslizamento quanto danos à amostra.
Ao desacoplar a força de fixação do movimento do cabeçote (crosshead), as garras pneumáticas proporcionam condições de contorno altamente reprodutíveis, o que é particularmente importante em estudos comparativos ou protocolos de controle de qualidade.
Articulated Tensile Grips
As garras de tração articuladas, chamadas de articulated tensile grips, são dispositivos leves e de pequenas dimensões, adequados para a fixação de materiais finos, ao mesmo tempo em que oferecem um bom grau de flexibilidade rotacional, que pode ocorrer devido à deformação do material durante os testes de tração, facilitando a aplicação de carga em amostras mais difíceis.
Dispositivos de tração para amostras específicas
Certos sistemas de alimentos e biomateriais requerem dispositivos específicos para suportar adequadamente a amostra e promover a falha na região de interesse.
Dispositivo de tração para espaguete/macarrão
O dispositivo de tração para espaguete/macarrão suporta amostras macias de noodles e espaguete utilizando roletes de fricção paralelos. As amostras são enroladas ao redor dos roletes duas ou três vezes para:
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Evitar cortes ou rupturas nas regiões de fixação;
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Minimizar o deslizamento sob carga;
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Favorecer a falha ao longo do comprimento central exposto.
Essa configuração permite a medição da resistência à tração e da extensibilidade em fios finos e frágeis.
Dispositivo de tração em loop para noodles/massas
Para amostras de noodles ou massas cortadas a partir de uma massa laminada, o dispositivo de tração em loop para noodles/massas é o mais indicado. Ele combina:
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Um cortador de amostras exclusivo para formar loops consistentes;
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Uma geometria de montagem que promove a falha longe dos pontos de fixação.
Isso é essencial para a obtenção de dados de tração de alta qualidade, nos quais a falha na seção útil reflita as propriedades do material, e não artefatos do dispositivo de ensaio.
Dispositivo de tração para cápsulas/loop
O dispositivo de tração para cápsulas/loop utiliza duas hastes de separação para segurar cápsulas vazias. Uma separação vertical é aplicada enquanto a força e a extensão/deslocamento são registrados até que a cápsula se rompa.
Os dados obtidos podem ser utilizados para avaliar a integridade da cápsula, a resistência de fechamento e os efeitos da formulação ou do processamento no desempenho da cápsula.
Dispositivo para extensibilidade de queijo
O dispositivo para extensibilidade de queijo foi desenvolvido para quantificar a extensibilidade de queijo fundido. Ele incorpora:
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Uma sonda tipo garfo de dupla face montada no analisador de textura;
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Um recipiente com inserto de retenção de amostra, que mantém uma massa conhecida de queijo enquanto evita o deslocamento do volume total.
O queijo é aquecido até fundir, e então o garfo é tracionado através do material. A curva força × distância caracteriza a extensibilidade, a formação de fios (stringiness) e o comportamento de fusão — parâmetros altamente relevantes para aplicações como pizzas e queijos processados.
Dispositivo de extensibilidade para massa e glúten
O dispositivo de extensibilidade para massa e glúten suporta uma pequena amostra de massa, tipicamente em torno de 10 g. As extremidades da amostra são fixadas por meio de uma placa de fixação com mola, enquanto um gancho promove o alongamento da amostra. Essa configuração permite:
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Medir a resistência da rede de massa e glúten;
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Avaliar os efeitos da formulação na extensibilidade e na resistência ao alongamento.
É particularmente útil para a caracterização reológica em escala laboratorial de massas de pão e produtos de panificação.
Dispositivo de tração para pizza
O dispositivo de tração para pizza é composto por dois suportes com quatro pinos cada, sendo um conectado à célula de carga e o outro à base. Uma seção retangular de pizza é perfurada e fixada em ambos os conjuntos de pinos. À medida que o cabeçote se move, o dispositivo mede:
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A força de separação (“tug”) necessária para puxar a fatia;
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A contribuição do queijo, dos toppings e da massa para a integridade estrutural do conjunto.
O mesmo dispositivo também foi utilizado em pesquisas com salmão do Atlântico no grupo Fish Muscle Research da Universidade de St Andrews, fornecendo um indicador sensível de abertura pós-morte (gaping). A ocorrência de rasgos ou fendas no filé sob carga está correlacionada com a qualidade do filé e a resistência ao manuseio.
Dispositivo de suporte para filmes
Para amostras finas, com comportamento semelhante a filmes, uma abordagem de extensão biaxial pode ser mais representativa do que a tração uniaxial simples. O dispositivo de suporte para filmes mantém a amostra entre placas, expondo uma área circular. Em seguida, uma sonda esférica é pressionada contra o filme para medir:
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Resistência ao estouro;
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Extensão na ruptura;
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Recuperação elástica.
Esse método é particularmente relevante para filmes comestíveis, filmes de embalagem e outros materiais com características de membrana.
Dispositivo de estouro para tortillas/massas
O dispositivo de estouro para tortillas/massas aplica o mesmo princípio biaxial a amostras maiores e mais espessas. Ele inclui:
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Uma área circular exposta maior;
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Uma sonda esférica de maior dimensão;
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Um anel de suporte liso para reduzir rupturas induzidas pelas bordas.
Isso permite a medição da resistência ao estouro e da extensibilidade de produtos como tortillas, pães achatados (flatbreads) e massas, sob condições mais próximas do manuseio real ou do processo de recheio.
