فراسطح های ساده کنترل اصطکاک در رابط های مواد را ارائه می دهند - دنیای فیزیک

یک تکنیک جدید برای تنظیم دقیق نیروهای اصطکاکی در فصل مشترک بین مواد مختلف توسط محققان فرانسوی توسعه یافته است. جولین شایبر و همکارانش در دانشگاه لیون از متاسطحهای ساده و قابل تنظیم برای ایجاد ضرایب خاص اصطکاک در سطح مشترک بین نمونه های شیشه و الاستومر استفاده کردند.

از صفحه نمایش های لمسی گرفته تا دست های رباتیک، تماس های اصطکاکی جزء کلیدی بسیاری از دستگاه های مدرن هستند. برای بهینه سازی عملکرد خود، طراحان باید کنترل دقیقی بر نیروهای اصطکاک در رابط های مواد برقرار کنند. با این حال، علی‌رغم قرن‌ها بررسی دقیق، ما هنوز روش قابل اعتمادی برای پیش‌بینی ضریب اصطکاک در هر رابط معین نداریم.

مشکل اصلی در درک اصطکاک، تنوع بسیار زیاد بافت های موجود بر روی سطوح است. اندازه ویژگی های سطح می تواند چندین مرتبه بزرگی را در بر بگیرد: از مقیاس اتمی تا مقیاس میلی متری. از آنجایی که همه این ویژگی ها می توانند بر اصطکاک بین دو سطح تأثیر بگذارند، محاسبه ضرایب اصطکاک از اصول اولیه اغلب بسیار دشوار است.

در حال حاضر دو تکنیک اصلی برای بهینه سازی اصطکاک بین سطوح وجود دارد. یک روش این است که به سادگی یک جفت از مواد را انتخاب کنید که میزان اصطکاک صحیح را تجربه کنند. با این حال، اغلب اتفاق می‌افتد که این مواد سایر خواص - حرارتی، الکتریکی و غیره - را که برای یک کاربرد خاص مورد نیاز است، ندارند.

درک ضعیف

Scheibert توضیح می دهد: "تکنیک دوم ایجاد ریزبافت های مصنوعی روی سطوح است." اما از آنجایی که رابطه بین بافت و اصطکاک به خوبی درک نشده است، بافت های مناسب معمولا تنها پس از کمپین های آزمایشی طولانی و پرهزینه شناسایی می شوند.

در مطالعه خود، تیم Scheibert رویکرد ریزبافتی را با استفاده از فراسطح های بسیار ساده که شامل آرایه های مربعی از کلاهک های کروی است، بهبود بخشیدند. به هر کلاه می توان ارتفاع خاصی نسبت به سایر کلاهک ها داد (شکل را ببینید).

Scheibert توضیح می‌دهد: «در این شرایط، پاسخ [اصطکاکی] رابط را می‌توان با دقت مدل‌سازی کرد، و فهرست ارتفاع‌هایی که رفتار اصطکاک هدفمند را ارائه می‌دهند را می‌توان قبل از ساخت واقعی سطوح تعیین کرد.» به این ترتیب، تیم می‌تواند بافت‌های مختلفی را برای دستیابی به سطح مطلوب اصطکاک سطحی در اولین تلاش مهندسی کند.

محققان رویکرد خود را با تهیه سطوح فراسطحی بر روی نمونه‌هایی به اندازه سانتی‌متر از یک الاستومر لاستیک مانند آزمایش کردند. هر سطح دارای یک شبکه از 64 کلاهک کروی ساخته شده از الاستومر بود. ارتفاعی که هر کلاهک از سطح بیرون می زند به صورت جداگانه تنظیم می شود و به تیم اجازه می دهد تا طیف وسیعی از سطوح مختلف را ایجاد کند.

اصطکاک با قرار دادن یک تکه شیشه صاف در بالای سطح و فشار دادن به پایین در حالی که شیشه را در امتداد متاسطح می‌کشید اندازه‌گیری می‌شود. با تنظیم ساختار فراسطحها به روشی سیستماتیک، ضرایب اصطکاک خاصی را می توان در سطح مشترک ایجاد کرد.

دو ضریب اصطکاک متفاوت

این رویکرد بدون نیاز به محاسبات اولیه نیروهای اصطکاکی، و بدون تغییر هیچ گونه خصوصیات خود مواد کار کرد. Scheibert می افزاید: «حتی بیشتر، ما تماس هایی با دو ضریب اصطکاک متفاوت آماده کرده ایم که به سطح فشرده سازی اعمال شده به رابط بستگی دارد - رفتاری که در طبیعت بسیار نادر است.

با این رویکرد سریع و مقرون به صرفه، تیم Scheibert توانستند انواع قوانین اصطکاک شناخته شده را در آزمایشات خود بازتولید کنند: از جمله قوانین خطی، که در آن با افزایش نیروهای برشی در سطح مشترک، ضریب اصطکاک ثابت می ماند. و قوانین غیرخطی پیچیده تر، که در آن این ضریب با نیروی برشی تغییر می کند.

همانطور که آنها تکنیک خود را بیشتر بهبود می بخشند، محققان طیف گسترده ای از کاربردها را برای رویکرد متاسطح قابل تنظیم خود در نظر می گیرند. Scheibert می‌گوید: «ایجاد رابط‌های تماس منطبق بر رفتار اصطکاک مشخص، جام مقدس در تریبولوژی است.

"استراتژی طراحی ما ابزارهای جدیدی را برای آماده سازی چنین رابط های اصطکاکی فراهم می کند. این به طور بالقوه می تواند فرصت هایی را در زمینه های مختلف چالش برانگیز، از ورزش گرفته تا رباتیک نرم، باز کند. اگر بیشتر مجهز به حسگرها و محرک‌ها باشد، رابط‌های فرعی ما حتی نوید رابط‌های تماس هوشمند با تنظیم اصطکاک بلادرنگ را دارند.

تحقیق در شرح داده شده است علم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/