На фото: Электронная микрофотография волосков на пчелином брюшке. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021. Китайские инженеры выяснили роль волосков на поверхности пчелиного брюшка — оказалось, что они снижают контакт между брюшными пластинками, тем самым понижая трение между ними. Это позволяет пчелам совершать телескопические движения брюшком с экономией 40 процентов энергии на силе трения. Для теоретического описания поверхности брюшка ученые разработали модель упруго-пластической деформации волосатых поверхностей — волоски выступают в роли упругих амортизаторов. Статья опубликована в журнале Applied Materials & Interfaces. Пчелы при своем движении телескопически вытягивают свое брюшко с помощью складчатой межсегментной мембраны. Уже известно, что для снижения трения поверхность их тела покрыта воском, выделяющимся из желез. Однако не только густая смазка помогает справляться с нежелательным трением. Вдохновляясь работами, посвященными структуре поверхности жуков, ученые уже получили покрытия со структурно сниженным трением.
Движение пчелиного брюшка. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
Такие покрытия помогут при разработке материалов, при эксплуатации которых сухого трения не избежать (например, в вакуумных установках). Минъюэ Ван (Mingyue Wang) с коллегами из Пекинского института технологий и университета Цинхуа изучил волоски на поверхности пчелиных брюшек. В качестве объектов наблюдения ученые выбрали несколько пчел из местной лаборатории.
Для того чтобы пронаблюдать движение брюшных сегментов, ученые закрепили голову и грудь пчелы. За один цикл сгибания брюшка длина пятого сегмента изменялась с 385 до 1004 микрометров, при этом среднее расстояние между пятым и шестым сегментом менялось в промежутке 0–600 микрометров, что подтверждает высокую вероятность трения, если бы у пчел не было для этого специального механизма.
Электронная микрофотография сегмента брюшка с волосками на нем. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
После естественной смерти пчелы ученые отсекли брюшко от остального тела. Они были промыты в растворе фосфатного буфера при обработке ультразвуком, чтобы смыть остатки пыли и пыльцы. Затем брюшки дополнительно промывали и обезвоживали с помощью этанола, после чего они были подвергнуты десикации и покрыты слоем золота для возможности съемки электронным микроскопом. В ходе съемки удалось установить размеры волосков: в длину — 100-200 микрометров, а в толщину до 6 микрометров. При этом волоски ветвились от 10 до 30 раз, а плотность волосков на поверхности оказалась равной приблизительно 150 волосков на квадратный миллиметр.
Для определения силы трения ученые провели эксперимент с помощью атомного силового микроскопа. К зонду крепился квадратный образец спинки пчелы, а в качестве поверхности трения была выбрана волосатая поверхность и контрольная гладкая поверхность. В общем случае при одинаковой нагрузке трение по волосатой поверхности оказалось меньше, чем по гладкой поверхности.
Эксперимент по трению с использованием зонда атомно-силового микроскопа, снизу показана карта высот поверхностей (слева) гладкой, (справа) волосатой. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
Коэффициент трения в зависимости от величины нагрузки для гладких (штрих-линии) и волосатых (сплошные линии). Для каждой конфигурации было проведено шесть экспериментов с различными срезами пчелиного брюшка. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
Чтобы установить, как волоски снижают трение, ученые рассмотрели механическую модель. Контакт между сегментом брюшка и плоской поверхностью является пластичным, тогда как с волосатой поверхностью упруго-пластичным. К тому же, исходя из карты контактов, контакт с гладкой поверхностью имеется по всей плоскости, а с волосатой поверхностью — только по срезу волосков. При расчете стало ясно, что вклад пластических деформаций на волосатой поверхности оказался ниже, чем с плоской поверхностью — то есть волоски выступают в качестве упругих амортизаторов.
Модель трения в случае волосатой поверхности. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
Для того чтобы оценить энергию, сохраняемую при снижении трения, инженеры рассчитали среднюю силу трения в 6 сегментах, а также оценили количество интервалов сокращения за 18 дней (~622 тысячи сокращений брюшка). С ростом нагрузки выигрыш по энергии между волосатой и гладкой поверхностью только увеличивается. При пчелиных нагрузках волоски помогают сократить трение на 40 процентов и сохранить 0.69 миллиджоуля. Ученые надеются, что нанесение упругих микроволосков на поверхности мягких устройств позволит повысить их износостойкость.
Зависимость энергии трения от приложенной нагрузки для гладкой (черная линия) и волосатой (красная линия) поверхностей. Mingyue Wang et al. / Applied Materials & Interfaces, 2021
Микроволоски могут не только снижать трение между поверхностями, но и увеличивать адгезию за счет Ван-дер-Ваальсового взаимодействия. Этим пользуются гекконы и перенимающие опыт инженеры, создающие на подобных эффектах более цепкие актуаторы.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
