The relationship between physical properties of tubers measured during pendulum impact tests and tuber fracture damage

Summary

The relationship between physical factors measured electronically by using a pendulum (energy absorbed during impact, calculated from rebound of the pendulum arm, deformation, and time of contact of the indentor head with the tuber during impact) and fracture damage (external and internal damage) was investigated in potato genotypes showing a wide range of damage susceptibility. The physical factors were highly correlated one with another and all gave good correlations with fracture damage. However, the highest correlations with damage were generally found for energy absorbed and permanent deformation which, for example, respectively explained 91% and 93% of the variation in external damage. A slight improvement, particularly with tubers showing the maximum score for external damage, was found when the damage was expressed as a damage rating calculated from a multiple regression of external damage + depth of damage + width of damage.

Zusammenfassung

Physikalische Eigenschaften von Knollen (absorbierte Energie — berechnet aus der Schlaghöhe des Pendelarms — als Deformation und Kontaktzeit des Bolzens mit der Knolle) wurden während des Schlages elektronisch mittels tragbaren FRI-Pendels mit Winkelverschiebungsvorrichtung in seiner Spindel (Abb. 1) gemessen. Das Ziel war herauszufinden, ob Messung irgendeines der physikalischen Faktoren (welche sich unmittelbar darstellen liessen) akkurate Schätzungen der Höhe an Bruchschaden in Knollen als Folge des Schlags unter gleichen physikalischen Bedingungen wie denjenigen bei der Ernte erlauben.

Eine Reihe von Proben (Tabelle 1), die sich beträchtlich in ihrer Anfälligkeit gegen Bruchschaden unterschieden, wurden mittels statischer Kraft von 5 kg (zur Verhinderung der Knollenbewegung) festgehalten und mittels Pendelarm mit Schlagbolzen und einem Halbmesser der Krümmung von 6.35 mm, einer kinetischen Energie von 0,732 J und einer Geschwindigkeit von 2,602 m/s beschädigt. Diese Beschädigungen sind einer Knolle von 216 g äquivalent, die 35 cm fällt, 14–19 Tage lang bei 20° C gelagerte Knollen wurden an der Schlagstelle untersucht und die äusserliche Beschädigung in einer 0 bis 4-Skala unterteilt (Abb. 2); ferner wurde die innere Breite und Tiefe der Beschädigung gemessen.

In diesem Material ergab sich eine sehr breite Spanne bei der Schadenshöhe (Tabelle 1; Abb. 3, 4, 5 und 6), ähnlich dem Typ von Bruchschaden unter Freilandbedingungen (Quetschungen, Risse und Bruch). Eine breite Spanne von Auslegungen (Abb. 4) fand sich für die physikalischen Faktoren, welche zueinander in Wechselwirkung standen und miteinander hoch korreliert waren (Tabellen 2 und 3). Höchste Korrelationen zwischen physikalischen Faktoren und Schädigung wurden generell zwischen Beschädigung und jeglicher Art von absorbierter (Tabellen 2 und 3; Abb. 4, 5 und 6) oder permanenter Deformierung der Knolle (Tabellen 2 und 3) gefunden, welche beispielsweise 91 und 93% der Variation in der extremen Bewertung erklären. Eine geringfügige Verbesserung der Korrelationen ergab sich bei Berechnung multipler Regressionen für physikalische Faktoren gegen äusserliche Bewertung + Tiefe der inneren Schädigung (Tabellen 5 und 6) (Schadensabstufung). Eine Verbesserung bei der Differenzierung zeigte sich bei absorbierter Energie gegen Schadensabstufung (Abb. 7) bei Proben mit einer mittleren äusserlichen Bewertung von 4 (Abb. 4). Andere physikalische Faktoren wie Kraft und dynamische Festigkeit, welche aus den oben genannten direkten Ablesungen berechnet werden können, ergaben schlechtere Korrelationen von Beschädigung sowohl mit absorbierter Energie als auch permanenter Deformation (Tabellen 6 und 7).

Das tragbare Pendel erlaubt eine höchst akkurate und schnelle Vorhersage der Gesamhöhe von Bruchschaden (auf der Basis absorbierter Energie), der an Knollen unter präzise kontrollierten Bedingungen entsteht, und stellt deshalb eine direkte Testvorrichtung für Prüfungs-und Züchtungsprogramme sowie Sortenversuche zur Ermittlung von Material dar, welches gegen Bruchschaden anfälliger als gegenwärtig akzeptable Sorten ist. Es könnte auch in Feldversuchen zur Ermittlung der optimalen Erntezeit verwendet werden.

Résumé

Les propriétés physiques des tubercules (énergie absorbée-mesurée par le rebond du bras pendulaire — déformation et temps de contact de l'outil avec le tubercule) sont mesurées électroniquement, au cours de l'impact, en utilisant le système pendulaire portable FRI muni dans son axe d'une transducteur de déplacement angulaire (fig. 1). L'objectif est d'évaluer quelles mesures de ces caractéristiques physiques (instantanément visualisées) pourraient fournir une estimation précise du niveau d'endommagement par fracture des tubercules soumis à un impact dans des conditions physiques semblables à celles de la récolte.

Un ensemble d'échantillons (tableau 1), de sensibilité à l'endommagement par fracture très variable, est fermement maintenu par une force statique de 5 kg (afin d'empêcher le mouvement du tubercule) et percuté par la tête de l'outil fixé au bras pendulaire d'un angle de courbure de 6,35 mm, d'une énergie cinétique de 0,732 J et d'une vitesse de 2,602 m/s. Ces conditions correspondent à celles d'un tubercule de 216 g tombant de 35 cm. Après stockage des tubercules pendant 14–19 jours à 20 °C, l'endommagement externe est évalué sur une échelle de 0 à 4 (fig. 2) et la largeur et la profondeur de la zone endommagée sont mesurées.

Ces lots ont présenté une très grande variabilité au niveau des endommagements (tableau 1, fig. 3, 4, 5 et 6) semblables à ceux observés au champ (écrasement, fissure, éclatement). Un grand nombre de mesures (fig. 4) concernant les facteurs physiques se sont révélées fortement correlées entre-elles (tableau 2 et 3). Les caractéristiques physiques les plus correlées avec les endommagements sont en général l'énergie absorbée (tableau 2 et 3, fig. 4, 5, 6) ou la déformation permanente du tubercule (tableau 2 et 3) qui expliquent respectivement 91 et 93% de la variation de la note d'endommagements externes. Une légère amélioration des corrélations est obtenue quand les régressions multiples pour chaque facteur physique sont calculées en prenant en compte la note d'endommagement externe + la profondeur + la largeur de l'endommagement interne (tableau 5 et 6) (taux d'endommagement). On constate une amélioration de la séparation des échantillons de note moyenne 4 (fig. 4) lorsque l'on considère l'énergie absorbée par rapport aux taux d'endommagement (fig. 7). D'autres caractéristiques physiques telles que la force et la dureté dynamique calculée à partir des lectures directes, sont moins nettement correlées avec les endommagements que l'énergie absorbée ou la déformation permanente (tableau 6 et 7).

Ce système pendulaire portable fourni une prévision très précise et instantanée (à partir de l'énergie absorbée) du taux d'endommagements par fracture de tubercules soumis à un impact dans des conditions précises. Il peut être utilisé comme test direct dans des programmes de sélection ou des essais variétaux, afin de séparer les lots plus sensibles aux endommagements que les variétés généralement acceptées. Il peut également servir dans des essais de plein-champ ou même à la ferme pour déterminer la date optimale de récolte.