מדידה של כוח דינמי פעל על רגל מים "צעדן" קופץ מעלה על ידי חיישן סרט PVDF

סיכום

פרוטוקול כאן מוקדש חוקרים בחינם, תמרון מהיר של מים "צעדן" על פני המים. הפרוטוקול כוללת התבוננות על מיקרו של הרגליים, מדידת אדהזיה הכוח כאשר היוצאת פני המים במהירויות שונות.

תקציר

מחקר זה שמטרתה להביא הסבר התופעה בטבע "צעדן" את המים בדרך כלל קופץ או מחליק על פני המים בקלות אבל במהירות, עם שלה ומכניקה שיא מהירות להשיג 150 ס"מ/s. קודם כל, הבחנו מיקרו של ההיררכיה של מים "צעדן" הרגליים באמצעות המיקרוסקופ האלקטרוני סריקה. על סמך התצפיות המורפולוגיה של הרגליים, מודל תאורטי של הניתוק של פני המים הוקמה, אשר הסביר יכולת של מים striders להחליק על פני המים ללא מאמץ מבחינת הפחתת האנרגיה. שנית, מערכת מדידה וסבילה הומצאה שימוש בחיישן הסרט PVDF עם רגישות מעולה, אשר יכול לזהות את התהליך כל אינטראקציה. לאחר מכן, רגל אחת במגע עם מים נמשכה כלפי מעלה במהירויות שונות, הכוח אדהזיה נמדדה בו זמנית. התוצאות של הניסוי שיוצאת הציע הבנה עמוקה של הקפיצה מהיר של מים striders.

מבוא

בטבע, striders מים בעלי יכולת מדהימה לקפוץ או לגלוש בקלות, במהירות על פני המים בעזרת רגליים דקיקות, nonwetting^1,2,3,4,5, אבל לעתים רחוקות זזים לאט, וזה בניגוד החרקים יבשתי. המבנה ההירארכי של מים "צעדן" מייצבת את המדינה superhydrophobic, האינטרפרטציה צמצום משמעותי בכוח אזור והצמדות הקשר בין מים את הרגל^{6,7,8, 9}. עם זאת, היתרונות hydrodynamic של ההתנתקות מהיר של מים striders פני המים נשארים לקוי לפרש^10,11,12.

התהליך של קפיצות מפני השטח המים מחולק בעיקר שלושה שלבים^13,14,15,16. בהתחלה, מים striders לדחוף פני המים כלפי מטה עם הרגליים באמצע ומאחור כדי להמיר אנרגיה ביולוגית לאנרגיה המשטח של המים עד ששקעו העומק המרבי, המאפשרים את החרק לאתחל את הכיוון קופץ ולקבוע המהירות התולש. ואחריו את הבמה עולה, החרק דחף כלפי מעלה על ידי הכוח נימי של המשטח מים עקומים עד שהגיע מהירות מקסימלית. בשלב הסופי ההתנתקות, "צעדן" המים ממשיך להתרומם לשניים עד שבירת מהמשטח מים, אך המהירות תקטן במידה רבה בשל הכוח אדהזיה עם המים, אשר יש ההשפעה העיקרית על צריכת האנרגיה של "צעדן" מים. לפיכך, פרוטוקול זה מוצע למדוד את כוח אדהזיה במהירויות שונות להמריא על הבמה ההתנתקות ולהסביר על מאפייני ברורים זז מהר.

היו מחקרים רבים לחקור את כוח הדבקה של מים striders כאשר הטלה של פני המים. Lee & קים ותיאורטי השפעול אישר כי הדבקות כוח ואנרגיה נדרש הרמת הרגליים של סטרייד המים ירד באופן דרמטי כאשר הזווית קשר גדל ל 160 מעלות¹⁷. פאן ג'ן ווי תוכנן ניסוי ההידרוסטטי כדי למדוד את כוח הדבקה על ידי מערכת TriboScope, אשר נמצאה להיות 1/5 שלה במשקל ¹⁸. הואנג Kehchih ניתח את התהליך ומעין סטטי של הרגליים ניתוק מן המים עם דגם 2D ומצא ש-superhydrophobicity של הרגליים שיחק תפקיד משמעותי בהפחתת אדהזיה כוח ואנרגיה פיזור¹⁹. אולם, מידת הכוח אדהזיה במחקרים קודמים היה רק במצב של תהליך ומעין סטטיים, אשר לא היתה אפשרות לעקוב אחר השינויים בכוח אדהזיה במהלך הקפיצה מהר.

במחקר זה, תיכננו מערכת מדידה וסבילה באמצעות polyvinylidene פלואוריד (PVDF) הסרט חיישן ולכלי הנגינה אדג'וונט אחרים. לעומת חומרים אחרים פיזואלקטריים, PVDF מתאים יותר למדוד את microforce דינמי עם רגישות גבוהה יותר^20,21,22. על ידי שילוב של החיישן הסרט PVDF לתוך המערכת, הכוח אדהזיה בזמן אמת יכול ועוזרת לעבד כאשר הרגל חונה מים משטח^23,24,25.

פרוטוקול

1. תצפית של מבנה השטח ברגל מים סטרייד

1. לאסוף מים striders בריכות מים מתוקים מקומיים באמצעות דיג הנחיתה נטו.
2. חתכו את פחות 5 זוגות רגליים האמצעי דגימות הניסוי באמצעות מספריים. לגעת בקרקעית של הרגליים בזהירות, כדי למנוע את זיהום הקרקע ומפריעה של מיקרו הקדמי של הרגליים.
3. נגב את הרגליים בחוץ באוויר באופן טבעי.
4. להתבונן על מיקרו משטח הרגליים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה עם מיקרו ברמת רזולוציה, כפי שמוצג באיור 1.
5. לבחון את microsetae של הרגליים באמצעות מיקרוסקופ חשמלי סריקה עם ננו ברמת רזולוציה, כפי שמוצגבאיור 1b.

2. מכינים את הרכיב של מערכת המדידה כוח דינמי

1. לרכוש חיישן סרט PVDF עם ממד של 14.9 X 10.2 מ מ² X 28 μm, המייצרת יותר מ 10 mV לכל מיקרו-זן.
   הערה: החיישן הסרט PVDF משמש לחוש חיל קשר דינמי עם רגישות גבוהה.
2. לרכוש מגבר תשלום עם רווח מרבי של תשלום mV/pC 1000, רעש נמוך μV פחות מ-5.
   הערה: המגבר תשלום משמש כדי להגדיל את האות מהחיישן הסרט PVDF, שבו הפלט תשלום של המתמר מומר לתוך מתח.
3. לרכוש מכשיר רכישת נתונים, שבה יש קלט אנלוגי את שיעורי דגימה בטווח של 1 S/s ל- 102.4 kS/s.
   הערה: הנתונים רכישת המכשיר משמש כדי לקרוא את הנתונים מתח של המגבר תשלום ולא לשלוח אותם למחשב לצורך עיבוד נוסף ולהציג.
4. לרכוש מספר שלבים העתק מדויק גבוהה במנוע סרוו.
   הערה: הרגליים יוצאות מן המים במהירות שונה מונע על ידי במנוע סרוו.
5. רכישת מצלמת CCD, אורך מוקד של מי הוא בטווח של 5 מ מ 30 מ מ, קצב הפריימים הוא 30 fps.
   הערה: מצלמה זו משמשת כדי להקליט ולנטר את דפורמציה של פני המים ואת המרחק בין הרגליים פני המים.
6. להכנת מחשב בעל ביצועים גבוהים.

3. הרכבה של כל חלקי מערכת מדידה כוח דינמי

1. להרכיב מערכת מדידה כוח דינמי בהתאם לאיור סכמטית שמוצג באיור 2 לבין הכלי ניסוי אמיתי שמוצג באיור 2b.
2. לתקן בצד אחד של החיישן הסרט PVDF עם האלקטרודות לבמה העתק מדויק גבוהה, אשר ממוקם על מסגרת אופקית, כמו הצד השני הוא תלוי. שיטת התקנה זו PVDF הפילם חיישן מסייע לשפר את הרזולוציה של המדידה עבור חיל מיקרו דינמיות.
3. להתחבר החיישן הסרט PVDF המגבר תשלום, המגבר תשלום המכשיר רכישת נתונים, המכשיר רכישת נתונים למחשב.
4. לתקן את המצלמה לבמה העתק מדויק גבוהה, אשר ממוקם בצד השמאלי של חיישן סרט PVDF.
5. בערך להתאים את המרחק בין הרגליים במים במהירות, לתקן במה הזחה גבוהה מדויק למסגרת מעל החיישן הסרט PVDF, אשר ההפרדה מהחיישן PVDF הסרט הוא כ- 10 ס מ.
6. להרים את הרגל מן פני המים במהירות מדויק, לתקן את במנוע סרוו מתחת לזירה הזחה גבוהה מדויק.

4. כיול של מערכת המדידה כוח דינמי

1. שימוש מערכת כוח אלקטרוסטטי²⁶ ליצירת כוח מיקרו-קבוע פעל על קצה PVDF הסרט חיישן, בסדר גודל של מי צריך להיות פחות מ 0.5 µN. לשלוט את הכוח אלקטרוסטטית של המערכת על ידי מתח שהוחל האלקטרודות הפנימיים והחיצוניים חינם של קבלים גלילי paralleled.
   התראה: הכוח לפעול בכיוון נורמלי השטח הסרט PVDF, הנקודה של היישום אמור להיות הכי קרוב ככל האפשר אל קצהו של החיישן הסרט PVDF להגדיל את הרגישות.
2. שחרור הכוח בתוך זמן קצר כדי ליצור שלב קלט.
3. לקרוא את האות בזמן מתח של צעד 4.2 בתוך המחשב באמצעות התוכנה LabVIEW, דבר שעוזר לקרוא אותות מתח הפלט של החיישן הסרט PVDF.
   1. הורידו את התוכנה LabVIEW ההתקן של החומרה NI-DAQmx ב הרשמי באתר של לאומי הכלים.
   2. פתח את הדמו של מדידת מתח אנלוגיים רציפים באמצעות LabVIEW את, כפי שמוצג באיור 3.
   3. בחרו בערוץ פיזית של המכשיר רכישת נתונים מקושר עם המגבר תשלום במודול של הגדרות הערוץ.
   4. הגדר את קצב דגימה 100000 ומספר דגימות 100000 במודול של הגדרות התזמון.
   5. בחר את יומן ולקרוא מצב רישום, לכתוב את נתיב הקובץ כדי לאחסן את נתוני מתח במודול של הגדרות רישום.
   6. בחר את ההדק לא המודול של הגדרות הגורם המפעיל.
   7. לחץ על לחצן החץ-צורה בסרגל הכלים כדי לדגום את האות מתח.
4. לנתח את העקומה מתח, שבו מתח שיא המתאים לכפות פעל על החיישן.
5. חזור על השלבים 4.1-4.4-קלט כוח שונים, שבו זכתה סדרה של נקודות מתח-force.
6. לקבוע את היחס על מתח שיא ועל כוח סטנדרטי בתוצאה כיול.

5. מדידת אדהזיה כוח במהירות מסוימת

1. במקום טיפה מים (5 µL) על סוף החיישן הסרט PVDF באמצעות micropipette מכני ללא תשלום.
   הערה: המיקום של ה-droplet צריך להיות קרוב קצה החיישן הסרט PVDF.
2. לתקוע רגל אחת במנוע סרוו מתחת לזירה הזחה גבוהה מדויק.
3. להעביר העתק מדויק גבוהה הבמה כלפי מטה עד הרגל אנשי הקשר עם פני המים, כפי שמוצג באיור 4. הצג המרחק בין פני השטח הרגל ומים על ידי מערכת המצלמה רכוב על הצד השמאלי של החיישן.
4. הרם את הרגל מהמשטח מים במהירות קבועה דרך במנוע סרוו.
5. לחשב את הכוח המתאימה לכל נקודה של עקומת מתח של תהליך יציאה באמצעות מודל שהוקמה בשלב 4.6 ולאחר מכן צייר את עקומת כוח-זמן של היוצאים התהליך, כפי שמוצג באיור 4b.
6. להקליט את הידבקות שיא של תהליך עוזבים במהירות מסוימת.

6. מדידת אדהזיה כוח במהירויות שונות.

1. לשנות את מהירות הרמה של הרגליים על ידי במנוע סרוו ולמדוד את הכוח אדהזיה לפי שלב 5.
2. להתוות את כוח הדבקה לעומת הרמה עקומת מהירות באמצעות הנתונים צבר בשלב 6.1.
3. ניתוח היחסים בין הכוח אדהזיה ומהירות הרמה דרך העקומה.

תוצאות

היחס בין הרמת כוח ומהירות אדהזיה מוצג בטבלה 1. כאשר מהירות הרמה עולה מ- 0.01 m/s ל 0.3 m/s, כוח הדבקה בין המים משטח וברגל יתקצר באופן משמעותי מ- 0.10 0.03. התוצאות של הניסוי שיוצאת הראו כי הכוח אדהזיה השיא היתה ירידה דרמטית כמו העלייה מהירות הרמה, אשר ציין כי striders מים עשויים להרגיש נוח אם הם לנוע במהירות על פני המים.

בנייר זה, נוצר מודל של הרגליים היוצאת פני המים המבוסס על מיקרו את הרגליים ואת הצורה של setae...

דיון

פרוטוקול זה, מערכת מדידה וסבילה המבוססת על החיישן הסרט PVDF היה בהצלחה המציאו, התאספו, מכויל כדי למדוד את הכוח אדהזיה מהמשטח מים. בין הצעדים כל, זה היה חיוני כי הכוח אדהזיה נמדדה במהירויות שונות על-ידי הרמת הרגל מהמשטח מים כמו מחקר זה התמקד המאפיין יוצא דופן של תמרון מהיר על פני המים. התוצאות של היוצאים הניסוי הראו כי הכוח אדהזיה ירד כאשר מהירות הרמה מוגברת. אלה מובהר כי striders מים היה מרגיש רגוע אם הם עברו במהירות גבוהה על פני המים.

שיטת המדידה מבוססת PVDF וסבילה היא בבחינת השלמה חשובה השיט...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
חיישן סרט PVDF	TE Connectivity	DT1-028K/L	חיישן הסרט PVDF משמש לחישת כוח המגע הדינמי.
מגבר טעינה	וושי שיאו טכנולוגיה ושות', בע"מ	YE5852B	מגבר הטעינה  הוא אינטגרטור זרם אלקטרוני המייצר פלט מתח פרופורציונלי לערך המשולב של התקן רכישת הנתונים
	של הקלט National Instruments	USB-4431	מכשיר רכישת הנתונים משמש לקריאת נתוני המתח.
שלב תזוזה	ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTD	KSAV1010-ZF	KSAV1010/2030-ZF הוא שלב אנכי טריז עם רזולוציה גבוהה, יציבות גבוהה ועומס גבוה.
מצלמת CCD	שנזן Andonstar Tech Co., Ltd	מיקרוסקופ דיגיטלי A1	קצב פריימים: 30 פריימים לשנייה; מרחק מוקד: מחשב 5 מ"מ - 30 מ"מ
	Lenovo	G480
Servomotor	EMAX US Inc.	ES08MD	זה לא רע הסרוו הזה עם מהירות שנעה בין 0.10 שניות/60° / 4.8v ל-0.08 שניות/60°/6.0v.
פיפטות מכניות	דרקון מכשירי מעבדה בע"מ YE5K693181		הפיפטות מכסות טווח נפח של 0.1 μ l עד 2.5 μ l