کشف دینامیک اصطکاک با استفاده از ذرات هیدروژل به عنوان بلبرینگ نرم

خلاصه

بلبرینگ نورد به طور گسترده ای شناخته شده و برای کاهش اصطکاک بین دو سطح استفاده می شود. اخیراً، سه جفت هیدروژل-هیدروژل نیز خواص روانکاری خوب اما نسبتاً پیچیده ای را نشان داده اند. در اینجا، ما از هیدروژل‌ها به عنوان یاتاقان‌های توپ استفاده می‌کنیم تا مشخص کنیم که ذرات کروی نرم رفتار روان‌کاری وابسته به نرخ غیرمعمولی دارند. بر خلاف روانکاری نیوتنی یا اصطکاک جامد خشک، ذرات هیدروژل در حالت تعلیق به عنوان تابعی از سرعت لغزش از طریق چهار رژیم اصطکاکی عبور می کنند. ما رژیم‌های مختلف را به تغییر شکل ذرات در اندازه‌های شکاف مختلف مرتبط می‌کنیم، که منطقه تماس موثر بین سطوح لغزش را تغییر می‌دهد. با تغییر سیستماتیک ویژگی‌های ذرات و ویژگی‌های سطح سطوح لغزنده، مکانیسم‌های بالقوه را برای هر یک از رژیم‌های روانکاری مختلف به عنوان تابعی از سرعت تعیین می‌کنیم: (I) اصطکاک نسبتاً زیاد به دلیل مسطح شدن ذرات و تماس مستقیم بین اجسام متقابل (II) ) کاهش اصطکاک به دلیل وجود ذرات غلتشی (III) جریان بزرگ ذرات در یک فضای محدود که منجر به ذرات فشرده می شود و (IV) تشکیل یک لایه روان کننده ضخیم. با استفاده از این سوسپانسیون ها با ذرات نرم و قابل تغییر شکل به عنوان یک سیستم بلبرینگ، ما بینش جدیدی در مورد اصطکاک مواد نرم با کاربرد در امولسیون ها، پودرها، خمیرها یا سایر مواد دانه ای ارائه می دهیم.

معرفی

اصطکاک برای عملکرد بسیاری از سیستم‌های مکانیکی مختلف مانند لاستیک‌های خودرو، یاتاقان‌های فولادی، ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی و حتی مفاصل انسان اهمیت دارد. ضریب اصطکاک بیانگر سهولت لغزش دو سطح در کنار یکدیگر است و از نیروی اصطکاک (FF) و نیروی نرمال (FN) به صورت μ = FF/FN محاسبه می شود. پارامترهای متعددی وجود دارد که بر اصطکاک بین دو سطح تأثیر می گذارد. به این ترتیب، μ می تواند به سرعت، نیروی نرمال، چسبندگی، زبری و غیره بستگی داشته باشد. یک استراتژی ساده برای به دست آوردن اصطکاک کم این است که سطوح لغزنده را از تماس فیزیکی با یکدیگر دور نگه دارید. لازم به ذکر است که در صورت تماس سطوح با یکدیگر، اصطکاک کم نیز حاصل می شود. در مورد هیدروژل ها، نشان داده شده است که کاهش اصطکاک را می توان با افزایش سطح تماس به دست آورد. 1،2 برای کاهش مقادیر بالای اصطکاک ناشی از افزایش تماس، سطح تماس بین سطوح در حال حرکت را می توان به طرق مختلف به حداقل رساند. . وجود ساده یک لایه مایع روان کننده نازک یا پوشش پلیمری می تواند با جلوگیری از تماس مستقیم سطوح، ضریب اصطکاک را تا حد زیادی کاهش دهد.

علاوه بر این، کره های جامد قادر به کاهش اصطکاک هستند (شکل 1a). گوی های جامد بین دو سطح لغزنده توانایی کاهش اصطکاک را با جداسازی سطوح لغزنده دارند. اگرچه خود کره ها در تماس مستقیم با هر دو سطح هستند، توانایی غلتش آنها مکانیزم روانکاری را فراهم می کند. این مکانیسم به عنوان مکانیسم یاتاقان توپ 5-7 یا اصطکاک بدنه سوم شناخته می شود و این مکانیسم نقش مهمی در اکثر ماشین آلات با قطعات چرخان ایفا می کند و می توان آن را در کاربردهایی از لوازم آشپزخانه 9 تا صنایع فضایی یافت.10 به دلیل صاف بودن سطح کره، وجود بلبرینگ های غلتشی می تواند ضریب اصطکاک را در مقایسه با سطوح لغزشی در تماس مستقیم کاهش دهد.11 با استفاده از بلبرینگ هایی که به خودی خود اصطکاک بسیار کم (وابسته به سرعت) را ایجاد می کنند، می توان پرسید که اصطکاک تماس یاتاقان چگونه بر توپ تأثیر می گذارد. مکانیزم بلبرینگ علاوه بر این، یاتاقان‌های توپ یا تغییر شکل زیرلایه اغلب در مکانیسم‌های بلبرینگ در نظر گرفته نمی‌شوند، زیرا یاتاقان‌های توپ معمولاً بسیار کمتر از مقاومت داخلی خود تحت فشار قرار می‌گیرند. تغییر شکل بلبرینگ ها ممکن است به طور قابل توجهی بر نواحی تماس درگیر و با آن رفتار روانکاری بلبرینگ ها تأثیر بگذارد. بنابراین، برای یاتاقان‌های ساچمه‌ای نرم و لغزنده، می‌توانیم انتظار رفتار روانکاری غیر ضروری را داشته باشیم.