Proste metapowierzchnie zapewniają kontrolę nad tarciem na stykach materiałów – Świat Fizyki

Naukowcy we Francji opracowali nową technikę precyzyjnego dostrajania sił tarcia na styku różnych materiałów. Juliena Scheiberta i współpracownicy z Uniwersytetu w Lyonie wykorzystali proste i łatwe do dostosowania metapowierzchnie, aby stworzyć określone współczynniki tarcia na styku próbek szkła i elastomeru.

Od ekranów dotykowych po roboty, styki cierne są kluczowym elementem wielu nowoczesnych urządzeń. Aby zoptymalizować ich działanie, projektanci muszą zapewnić ścisłą kontrolę nad siłami tarcia na stykach materiałów. Jednak pomimo stuleci dokładnych badań nadal nie mamy niezawodnej metody przewidywania współczynnika tarcia na dowolnym interfejsie.

Główną trudnością w zrozumieniu tarcia jest sama różnorodność tekstur występujących na powierzchniach. Rozmiar cech powierzchniowych może obejmować kilka rzędów wielkości: od skali atomowej do milimetrowej. Ponieważ wszystkie te cechy mogą wpływać na tarcie pomiędzy dwiema powierzchniami, często niezwykle trudno jest obliczyć współczynniki tarcia na podstawie pierwszych zasad.

Obecnie istnieją dwie główne techniki optymalizacji tarcia pomiędzy powierzchniami. Jedną z metod jest po prostu wybranie pary materiałów, które wykazują odpowiednią wielkość tarcia. Często jednak zdarza się, że materiały te nie mają innych właściwości – termicznych, elektrycznych itp. – które są wymagane w konkretnym zastosowaniu.

Słabe zrozumienie

„Druga technika polega na tworzeniu sztucznych mikrotekstur na powierzchniach” – wyjaśnia Scheibert. „Ale ponieważ związek między teksturą a tarciem pozostaje słabo poznany, odpowiednie tekstury są zwykle identyfikowane dopiero po długich i kosztownych kampaniach eksperymentalnych”.

W swoim badaniu zespół Scheiberta udoskonalił podejście mikroteksturowe, stosując bardzo proste metapowierzchnie składające się z kwadratowych układów sferycznych czapek. Każdej czapce można nadać określoną wysokość w stosunku do innych czapek (patrz rysunek).

„W takich warunkach można dokładnie modelować reakcję [tarcia] interfejsu, a listę wysokości zapewniających docelowe zachowanie tarcia można określić przed faktycznym wyprodukowaniem powierzchni” – wyjaśnia Scheibert. W ten sposób zespół mógł zaprojektować różne tekstury, aby już za pierwszym razem osiągnąć pożądany poziom tarcia międzyfazowego.

Naukowcy przetestowali swoje podejście, przygotowując metapowierzchnie na centymetrowych próbkach elastomeru gumopodobnego. Na każdej powierzchni znajdowała się siatka złożona z 64 kulistych czapek wykonanych z elastomeru. Wysokość, na jaką każda czapka wystaje z powierzchni, jest ustalana indywidualnie, co pozwala zespołowi stworzyć szereg różnych metapowierzchni.

Tarcie mierzy się poprzez umieszczenie płaskiego kawałka szkła na powierzchni metapowierzchni i dociśnięcie go w dół podczas przeciągania szkła po metapowierzchni. Dostosowując w sposób systematyczny strukturę metapowierzchni, można uzyskać określone współczynniki tarcia na styku.

Dwa różne współczynniki tarcia

Podejście to sprawdziło się bez konieczności wykonywania obliczeń sił tarcia według podstawowych zasad i bez zmiany jakichkolwiek właściwości samych materiałów. „Co więcej, przygotowaliśmy styki charakteryzujące się dwoma różnymi współczynnikami tarcia, które zależą od poziomu kompresji zastosowanej w interfejsie, co jest zjawiskiem niezwykle rzadkim” – dodaje Scheibert.

Tarcie wykonuje ciężkie podnoszenie lin i przędzy

Dzięki temu szybkiemu i niedrogiemu podejściu zespół Scheiberta był w stanie odtworzyć w swoich eksperymentach różnorodne znane prawa tarcia: w tym prawa liniowe, w których współczynnik tarcia pozostaje stały w miarę wzrostu sił ścinających na powierzchni styku; i bardziej złożone prawa nieliniowe, gdzie współczynnik ten zmienia się wraz z siłą ścinającą.

W miarę dalszego udoskonalania swojej techniki naukowcy przewidują szeroki wachlarz zastosowań swojego podejścia do regulowanej metapowierzchni. „Tworzenie interfejsów stykowych pasujących do określonego zachowania tarcia to Święty Graal w trybologii” – mówi Scheibert.

„Nasza strategia projektowa zapewnia nowe narzędzia do przygotowywania takich interfejsów ciernych. Może to potencjalnie otworzyć możliwości w różnych trudnych dziedzinach, od sportu po robotykę miękką. Jeśli nasze metainterfejsy zostaną dodatkowo wyposażone w czujniki i siłowniki, mogą nawet zapewnić inteligentne interfejsy kontaktowe z regulacją tarcia w czasie rzeczywistym”.

Badania opisano w nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/