FORTE DE SUPRAFATA IN MICROSISTEME MECATRONICE

FORTE DE SUPRAFATA ÎN MICROSISTEME MECATRONICE

In microsisteme, dimensiunile sunt de ordinul de marime 10^-9 - 10^-3 m, masele elementelor sunt de ordinul 10^-6 - 10^-3 grame iar fortele sunt de ordinul a 10^-6 - 10^-3 N. Uzura este practic nula în aceste microsisteme iar procesele de frecare si de ungere prezinta legi cu totul diferite ca cele din domeniul macrosistemelor.

Daca în macrosisteme fortele de suprafata dominante sunt cele date de frecarea (uscata, limita sau mixta) sau de frecarea fluida din straturile de lubrifiant, în cazul microstemelor, prezinta importanta numeroase forte de interactiune la scara atomica, neglijate în macrosisteme: forte de adeziune; forte capilare; forte electrostatice, forte de dispersie ca urmare a electronilor fluctuanti; forte Van der Waals ; forte electromagnetice.

Johnson-Kendall-Roberts (JKR) si Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) sunt cele mai rasp ndite. In tabelul 1 sunt prezentate relatiile de calcul pentru raza cercului de contact precum si pentru calculul fortei de adeziune pentru cele doua modele de adeziune JKR si DMT la care s-a adaugat si modelul clasic de contact Hertzian, fara adeziune.

Fig. 5

Tabelul 1.

	Hertz	DMT	JKR
a
Fad

Semnificatia termenilor este urmatoarea:

Fig. 9

Fig.

Influenta capilaritatii asupra fortei de frecare se poate vedea si din fig. . Astfel, în zona a) suprafetele sunt departate astfel încât efectul capilaritatii nu se manifesta iar forta de frecare este zero.. In zona b), apropierea bilei de suprafata plana face sa se dezvolte punti de capilaritate între cele doua suprafete, cu cresterea accentuata a fortei de atractie si, implicit, cu cresterea fortei de frecare.

Apropierea în continuare a celor doua suprafete , zona c), înseamna o crestere mult mai mica a fortei de frecare pâna la contactul direct solid/solid. Zona d) sugereaza variatia fortei de frecare atunci când suprafetele sunt îndepartate.

Fig. 11

Straturile de apa depuse pe suprafetele hidrofile, la presiune normala, atmosferica, sunt mai mari sau mai mici, functie de temperatura si umiditatea mediului. Determinari ale fortelor de frecare în functie de temperatura si de umiditate pun în evidenta variatii mari ale grosimii straturilor depuse, asa cum se vede în fig.12 .

Fig. 12

Pentru un microcub aflat n c mp electrostatic, forta electrostatica este data de relatia:

Pun nd conditia ca greutatea cubului elementar sa fie echilibrata de forta electrostatica rezulta dimensiunea maxima a microcubului care poate fi mentinut ntre cele 2 placi:

(17)

5. Metode de masurare a fortelor n microsisteme

Masurarea fortelor normale si tangentiale impune utilizarea unor aparate cu posibilitatea de a sesiza forte de ordinul de marime a 10^-9N. Unul dintre aceste aparate, denumit AFM (Microscopul de forta atomica) are o precizie de masurare este de 0.02 nN (nanoMewton).

Fig. 16

Cu ajutorul unei fototdiode segmentata în 4 se pot detecta deformatiile elastice ale lamelei pe doua directii - pe directia fortei normale si pe directia fortei tangentiale.

APLICATIE

Determinarea influentei apei din atmosfera asupra coeficientului de frecare ntr-un micro tribosistem de rostogolire. Anexa 1.