Metasuprafețele simple oferă control asupra frecării la interfețele materialelor – Physics World

Metasuprafețele simple oferă control asupra frecării la interfețele materialelor – Physics World

Marca temporală: 18 ianuarie 2024 7:28

Frecarea metasuprafeței
Experiment de frecare: impresia artistului despre metainterfața dintre o bucată rigidă de sticlă (sus) și o metasuprafață (de jos). Regiunile texturate sunt acolo unde sticla și metasuprafața sunt în contact. (Cu amabilitatea: Nazario Morgado)

O nouă tehnică pentru reglarea fină a forțelor de frecare la interfețele dintre diferite materiale a fost dezvoltată de cercetătorii din Franța. Julien Scheibert și colegii de la Universitatea din Lyon au folosit metasuprafețe simple și ușor de reglat pentru a crea coeficienți specifici de frecare la interfața dintre probele de sticlă și elastomer.

De la ecrane tactile la mâini robotizate, contactele de frecare sunt o componentă cheie a multor dispozitive moderne. Pentru a-și optimiza performanța, proiectanții trebuie să stabilească un control strict asupra forțelor de frecare la interfețele materialelor. Cu toate acestea, în ciuda secolelor de investigații atente, încă nu avem o metodă fiabilă pentru a prezice coeficientul de frecare pe orice interfață dată.

Principala dificultate în înțelegerea frecării este diversitatea absolută a texturilor găsite pe suprafețe. Dimensiunea caracteristicilor suprafeței poate cuprinde mai multe ordine de mărime: de la scară atomică la scară milimetrică. Deoarece toate aceste caracteristici pot influența frecarea dintre două suprafețe, este adesea incredibil de dificil să se calculeze coeficienții de frecare din primele principii.

În prezent, există două tehnici principale de optimizare a frecării dintre suprafețe. O metodă este să selectați pur și simplu o pereche de materiale care experimentează cantitatea corectă de frecare. Cu toate acestea, adesea se întâmplă ca aceste materiale să nu aibă celelalte proprietăți – termice, electrice etc. – care sunt necesare pentru o anumită aplicație.

Slabă înțelegere

„A doua tehnică este de a crea microtexturi artificiale pe suprafețe”, explică Scheibert. „Dar pentru că relația dintre textură și frecare rămâne prost înțeleasă, texturile adecvate sunt de obicei identificate doar după campanii experimentale lungi și costisitoare.”

În studiul lor, echipa lui Scheibert a îmbunătățit abordarea microtexturală prin utilizarea unor metasuprafețe foarte simple care cuprind matrice pătrate de capace sferice. Fiecărei capace i se poate da o înălțime specifică față de celelalte capace (vezi figura).

„În aceste condiții, răspunsul [de frecare] al interfeței poate fi modelat cu precizie, iar lista de înălțimi care oferă comportamentul de frecare vizat poate fi determinată înainte de fabricarea efectivă a suprafețelor”, explică Scheibert. În acest fel, echipa ar putea proiecta diferite texturi pentru a atinge nivelul dorit de frecare interfacială din prima încercare.

Cercetătorii și-au testat abordarea prin pregătirea metasuprafețelor pe mostre de dimensiuni centimetrice dintr-un elastomer asemănător cauciucului. Fiecare suprafață prezenta o rețea de 64 de capace sferice din elastomer. Înălțimea la care fiecare capac iese din suprafață este stabilită individual, permițând echipei să creeze o serie de metasuprafețe diferite.

Frecarea este măsurată prin plasarea unei piese plate de sticlă deasupra metasuprafeței și împingerea în jos în timp ce trageți sticla de-a lungul metasuprafeței. Prin ajustarea structurii metasuprafețelor într-un mod sistematic, la interfață ar putea fi creați coeficienți specifici de frecare.

Doi coeficienți de frecare diferiți

Abordarea a funcționat fără a fi nevoie de calcule de bază ale forțelor de frecare și fără a modifica proprietățile materialelor în sine. „Chiar mai mult, am pregătit contacte cu doi coeficienți de frecare diferiți, care depind de nivelul de compresie aplicat interfeței – un comportament foarte rar în natură”, adaugă Scheibert.

Cu această abordare rapidă și accesibilă, echipa lui Scheibert a reușit să reproducă o varietate de legi de frecare cunoscute în experimentele lor: inclusiv legile liniare, în care coeficientul de frecare rămâne constant pe măsură ce forțele de forfecare cresc pe interfață; și legi neliniare mai complexe, unde acest coeficient variază în funcție de forța de forfecare.

Pe măsură ce își îmbunătățesc tehnica în continuare, cercetătorii au în vedere o gamă largă de aplicații pentru abordarea lor reglabilă a metasuprafeței. „Crearea de interfețe de contact care să corespundă unui comportament de frecare specificat este Sfântul Graal în tribologie”, spune Scheibert.

„Strategia noastră de proiectare oferă noi instrumente pentru pregătirea unor astfel de interfețe fricționale. Acest lucru ar putea deschide oportunități în diferite domenii provocatoare, de la sport la robotica soft. Dacă sunt echipate în continuare cu senzori și dispozitive de acționare, metainterfețele noastre dețin chiar promisiunea unor interfețe inteligente de contact cu reglaj de frecare în timp real.”

Cercetarea este descrisă în Ştiinţă.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii