«Трение и износ являются двумя основными проблемами в системах, в которых встречаются отдельные детали», - говорит Кристиан Грайнер из Института прикладных материалов. Одно из возможных решений исходит от природы: змеи, такие как шариковый питон, или ящерицы, такие как песчаные рыбы, используют трение для перемещения, но благодаря своим масштабам они могут уменьшить их до минимума. Вместе с Михаэлем Шефером Грайнер разработал процесс, с помощью которого он может переносить чешуйчатую структуру рептилий на компоненты в электромеханических системах: с помощью волоконного лазера они фрезеруют чешуйки на стальной болт диаметром восемь миллиметров.
Какая структура лучше: шар питон или песочная рыба?
Ученые из двух материалов проверили, влияет ли расстояние между весами на трение с двумя различными способами. В первом случае весы перекрываются и лежат близко друг к другу, как весы живота шарикового питона (рисунок 2 в картинной галерее). Во второй структуре весы расположены в вертикальных рядах на большем расстоянии, как кожа песчаной рыбы (рисунок 3 в картинной галерее). «Расстояние между рядами в наших экспериментах было минимально возможным, которое мы могли бы получить с помощью лазера. Таким образом, структура не совсем соответствует структуре песчаной рыбы », - говорит Грайнер. Однако в будущем исследователи хотят продолжать приближаться к оригиналу с натуры.
Картинная галерея
Искусственная конструкция не менее эффективна
Каждая шкала имеет высоту 5 мкм и боковой размер 50 мкм (10-6 метров). Это примерно соответствует диаметру волоса. В природе чешуя змеи составляет около 300-600 нм (10-9 метров), а у песчаной рыбы - около 2 × 3 мм (10-3 метра). Размер лазерных чешуек не соответствует размерам рептилий. Тем не менее, в другом проекте ученые KIT смогли показать, что изменение размера не обязательно означает, что искусственная структура менее эффективна, чем естественная: для имитации «липких» и самоочищающихся свойств гекконовых лап исследователи использовали эластичные микроволосы, которые были в 100 раз больше, чем у животных, но имели такую же силу сцепления.
клей
Придерживайтесь, как геккон: самоочищающийся и не допускающий пригорания
Эксперименты со смазкой и без
Чтобы выяснить, могут ли весы снизить трение, Грайнер и Шефер прикрепили обработанную поверхность болтов к вращающейся пластине. Испытания проводились один раз без смазки и один раз - по 1 мл минерального масла каждое. В экспериментах в смазанном состоянии ученые использовали стальные диски, в не смазанных сапфировых дисках, каждый диаметром 50 мм.
Уменьшить трение более чем на 40%
Испытания в смазанном состоянии показали, что как узкое, так и широкое расположение весов увеличило трение по сравнению с необработанным болтом: широкие весы в 1,6 раза, узкие даже в 3 раза. весы, которые были лазированы на расстоянии друг от друга, уменьшают трение более чем на 40%, а близкие друг к другу - на 22%.
Для исследователей было неожиданным, что узкопрофильная структура вызывает большее трение как в смазанном, так и в не смазанном состоянии: «Мы предполагали, что близкое расположение было более эффективным, потому что оно происходит и в природе», - говорит Грайнер. Они смогли исключить, что более низкое трение было вызвано изменением поверхности, вызванным лазером: «Материал на весах и между ними был мягче, чем необработанный. Только кромки, которые были фрезерованы лазером, были закалены и не имели контакта с вращающейся пластиной. Это позволило нам сделать вывод, что весы ослабляют трение », - говорит Грайнер.
Дальнейшие попытки запланированы
На следующих этапах два исследователя материалов хотят проверить, как изменяется поведение болтов в отношении трения, если они изменяют размеры весов или используют более твердый материал. (Ш)