Az egyszerű metafelületek lehetővé teszik a súrlódás szabályozását az anyagi határfelületeken – Fizika világa

Új technikát fejlesztettek ki francia kutatók a különböző anyagok határfelületein fellépő súrlódási erők finomhangolására. Julien Scheibert és munkatársai a Lyoni Egyetemen egyszerű és könnyen állítható metafelületeket használtak, hogy specifikus súrlódási együtthatókat hozzanak létre az üveg és az elasztomer minták határfelületén.

Az érintőképernyőktől a robotkezekig a súrlódó érintkezők számos modern eszköz kulcsfontosságú elemei. Teljesítményük optimalizálása érdekében a tervezőknek szigorú ellenőrzést kell kialakítaniuk az anyagfelületeken fellépő súrlódási erők felett. A több évszázados gondos vizsgálat ellenére azonban még mindig nincs megbízható módszerünk a súrlódási együttható előrejelzésére adott interfészen.

A súrlódás megértésének fő nehézsége a felületeken található textúrák óriási sokfélesége. A felszíni jellemzők mérete több nagyságrendet is átfoghat: az atomtól a milliméteres léptékig. Mivel ezek a tulajdonságok mindegyike befolyásolhatja a két felület közötti súrlódást, gyakran hihetetlenül nehéz kiszámítani a súrlódási együtthatókat az első elvek alapján.

Jelenleg két fő technika létezik a felületek közötti súrlódás optimalizálására. Az egyik módszer az, hogy egyszerűen kiválasztunk egy pár anyagot, amely megfelelő mértékű súrlódást tapasztal. Gyakran előfordul azonban, hogy ezek az anyagok nem rendelkeznek az adott alkalmazáshoz szükséges egyéb tulajdonságokkal – termikus, elektromos stb.

Gyenge megértés

"A második technika mesterséges mikrotextúrák létrehozása a felületeken" - magyarázza Scheibert. "De mivel a textúra és a súrlódás közötti kapcsolat továbbra is kevéssé ismert, a megfelelő textúrákat általában csak hosszú és költséges kísérleti kampányok után azonosítják."

Tanulmányukban Scheibert csapata továbbfejlesztette a mikrotexturális megközelítést azáltal, hogy nagyon egyszerű metafelületeket használt, amelyek négyzet alakú gömb alakú sapkákból állnak. Mindegyik sapkának adott magassága adható a többi sapkához képest (lásd az ábrát).

„Ilyen körülmények között a felület [súrlódási] reakciója pontosan modellezhető, és a felületek tényleges gyártása előtt meghatározható a célzott súrlódási viselkedést kínáló magasságok listája” – magyarázza Scheibert. Ily módon a csapat különböző textúrákat tudott megtervezni, hogy az első próbálkozásra elérje a kívánt szintű felületi súrlódást.

A kutatók úgy tesztelték megközelítésüket, hogy egy gumiszerű elasztomer centiméteres mintáin metafelületeket készítettek. Mindegyik felületen 64 elasztomerből készült gömbsapkából álló rács volt. Azt a magasságot, amelyen az egyes kupakok kinyúlnak a felületből, egyedileg állítják be, így a csapat különböző metafelületeket hozhat létre.

A súrlódást úgy mérjük, hogy egy lapos üvegdarabot helyezünk a metafelület tetejére, és lenyomjuk, miközben az üveget végighúzzuk a metafelületen. A metafelületek szerkezetének szisztematikus beállításával specifikus súrlódási együtthatók hozhatók létre a határfelületen.

Két különböző súrlódási tényező

A megközelítés anélkül működött, hogy szükség lett volna a súrlódási erők első elvű számításaira, és maguknak az anyagoknak a tulajdonságainak megváltoztatása nélkül. „Sőt, két különböző súrlódási tényezővel rendelkező érintkezőket készítettünk, amelyek az interfészen alkalmazott tömörítés mértékétől függenek – ez a viselkedés nagyon ritka a természetben” – teszi hozzá Scheibert.

A súrlódás nehezíti a kötelek és fonalak nehézségeit

Ezzel a gyors és megfizethető megközelítéssel Scheibert csapata számos ismert súrlódási törvényt tudott reprodukálni kísérleteik során: ideértve a lineáris törvényeket is, ahol a súrlódási együttható állandó marad, ahogy a nyíróerők növekednek a határfelületen; és bonyolultabb nemlineáris törvények, ahol ez az együttható a nyíróerő függvényében változik.

Ahogy tovább fejlesztik technikájukat, a kutatók alkalmazási körük széles skáláját képzelik el az állítható metafelületi megközelítésükhöz. „A meghatározott súrlódási viselkedésnek megfelelő érintkezési felületek létrehozása a Szent Grál a tribológiában” – mondja Scheibert.

„A tervezési stratégiánk új eszközöket biztosít az ilyen súrlódó interfészek elkészítéséhez. Ez potenciálisan lehetőségeket nyithat meg különböző kihívásokkal teli területeken, a sporttól a puha robotikáig. Ha tovább szereljük érzékelőkkel és aktuátorokkal, a metainterfészeink még az intelligens érintkező interfészek ígéretét is magukban hordozzák, valós idejű súrlódási hangolással.”

A kutatás leírása a Tudomány.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/