Un sistema di prova millimetro scala flessionale per misurare le proprietà meccaniche di spicole di spugna marina

L'obiettivo generale di questo esperimento è misurare il comportamento alla flessione di fibre i cui diametri sono compresi tra 10 e 100 micrometri. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave sul comportamento meccanico delle strutture biologiche, come le proprietà di resistenza e rigidità delle spicole di spugna marina. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può essere utilizzata per misurare il comportamento meccanico di un'ampia varietà di materiali con diverse dimensioni e proprietà elastiche.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sul comportamento meccanico delle spicole, può essere applicato anche ad altre strutture biologiche portanti, come gli steli delle piante e i rachide delle piume. Per iniziare, fissare il punto di carico al cantilever, utilizzando viti a brugola numero 4-40. Fare attenzione a non deformare plasticamente i bracci a sbalzo durante il fissaggio del punto di carico.

Quindi, posizionare la punta del punto di carico lontano dalla piastra del cantilever e fissare liberamente il cantilever alla piastra, utilizzando viti a brugola numero 6-32. Quindi, inserire i perni di allineamento da 1/8 di pollice attraverso il cantilever e la piastra, serrare le viti, quindi rimuovere i perni di allineamento. Ritrarre il più possibile il sensore di spostamento in fibra ottica ruotando il micrometro del sensore in senso antiorario.

Quindi, fissare senza stringere la piastra a sbalzo al telaio, utilizzando viti a brugola numero 6-32 con la punta del punto di carico rivolta nella direzione z negativa. Ancora una volta, inserire i perni di allineamento da 1/8 di pollice, questa volta attraverso il telaio e la piastra a sbalzo, serrare le viti, quindi rimuovere i perni di allineamento. Ora, posizionare il tavolino sulla piastra di base del tavolino in modo che le punte delle teste micrometriche sulla piastra di livellamento poggino nelle fessure della piastra di base del tavolino.

Posizionare una livella a bolla sul tavolo di isolamento e regolare la pressione in ciascuna delle gambe del tavolo ruotando le viti a testa zigrinata del braccio della valvola in modo che la superficie sia piana. Spostare la livella a bolla nella parte superiore della piastra di livellamento del tavolino e regolare il micrometro in modo che sia anche livellato. Annotare le posizioni dei micrometri e rimuovere il tavolino dalla piastra di base del tavolino.

Usa un paio di pinzette per afferrare una spicola di ancoraggio per la sua estremità distale e tira per rimuoverla dallo scheletro. Posizionare la spicola su un vetrino da microscopio pulito. Usando un pennello di zibellino rosso quintuplo di dimensione zero, tieni la spicola contro il vetrino.

Tagliare una sezione di quattro millimetri della spicola spingendo una lama di rasoio contro la spicola su entrambi i lati del pennello, perpendicolarmente alla superficie del vetrino. Quindi, scartare le sezioni della spicola distale e prossimale e mantenere la sezione di quattro millimetri tagliata dal punto medio. Trasferire la sezione delle spicole nella fase di campionamento.

Posizionarlo attraverso la trincea con la campata desiderata per la prova di flessione e spingerlo delicatamente nella direzione y positiva contro il colmo della trincea per assicurarsi che la spicola sia perpendicolare ai bordi della trincea. Posizionare il tavolino sulla piastra di base del tavolino in modo che le punte dei perni micrometrici poggino nelle fessure della piastra di base del tavolino. Se necessario, regolare i micrometri sulla piastra di livellamento del tavolino.

Aprire il programma Test di flessione che si trova nel file di codice supplementare e impostare la dimensione del passo su due micrometri, lo spostamento massimo su 0,5 millimetri, l'arresto di bassa tensione su 1,5 volt e l'arresto di alta tensione su 4,6 volt, utilizzando le caselle di testo mostrate nell'interfaccia utente. Selezionare l'immagine desiderata, le directory dei dati e il nome del file di output, utilizzando le caselle di testo nell'interfaccia utente. Quindi, impostare l'interruttore Salva immagini nell'interfaccia utente in posizione abbassata e fare clic sul pulsante rettangolare verde sotto le parole Differenza di tensione in modo che si illumini.

Ora, esegui il programma Bending Test e attendi l'inizializzazione del controller del motore e delle interfacce della telecamera. Accendere l'illuminatore e regolare la luminosità in modo che la punta del punto di carico sia visibile. Quindi, ruotare il micrometro del sensore di spostamento in fibra ottica in senso orario fino a quando la tensione di uscita visualizzata nel grafico dell'interfaccia utente è di circa 1,7 volt.

Ora, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse z per spostare il tavolino nella direzione z positiva fino a quando non si trova a circa un centimetro sotto la punta del punto di carico e impostare la posizione iniziale dell'asse z facendo clic sul pulsante Home. Utilizzare i cursori del potenziometro sui controller del motore degli assi x e y per posizionare la punta del punto di carico sopra il centro della sottile striscia di acciaio situata sullo stadio del campione nella direzione x negativa rispetto alla trincea. Quindi, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse z per spostare il tavolino nella direzione z positiva fino a quando il tavolino non si trova all'interno del campo visivo del microscopio.

Fare clic sul pulsante con l'etichetta Inizia test e, quando richiesto, immettere valori di 0,003 volt e 0,001 millimetri rispettivamente per la sensibilità al tocco e la dimensione del passo di tocco. Fare clic su OK e attendere alcuni minuti per il completamento della fase di calibrazione. Aprire ed eseguire il programma Basic Data che si trova nel file di codice supplementare e ruotare il micrometro del sensore di spostamento in fibra ottica in senso antiorario fino a quando la tensione di uscita visualizzata sul grafico dell'interfaccia utente è di circa tre volt.

Quindi, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse x per posizionare la punta del punto di carico tra i bordi della trincea sopra la spicola. Inoltre, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse z per spostare il tavolino nella direzione z positiva fino a quando la punta del punto di carico non si trova al di sotto della superficie superiore del colmo della trincea. Infine, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse y per mettere a fuoco la superficie anteriore del colmo della trincea in modo che l'intera larghezza della punta del punto di carico sia compresa tra i bordi del colmo della trincea.

Quindi, arrestare il programma Dati di base facendo clic sul pulsante Stop. Quindi, aprire ed eseguire il programma Center Load Point, come indicato nel file di codice supplementare. Utilizzare il controller del motore dell'asse x per spostare il tavolino fino a quando la punta del punto di carico non è quasi a contatto con il bordo destro della trincea.

Quindi, fai clic sul pulsante Trova bordo. Quando richiesto, utilizzare il controller del motore dell'asse x per spostare il tavolino fino a quando la punta del punto di carico non è quasi a contatto con il bordo sinistro della trincea. A questo punto, fare nuovamente clic sul pulsante Trova bordo e attendere che il programma posizioni la punta del punto di carico a metà della campata della trincea.

Quindi, apri il programma Test di flessione. Impostare la dimensione del passo su due micrometri, lo spostamento massimo su 0,5 millimetri, l'arresto di bassa tensione su 1,5 volt e l'arresto di alta tensione su 4,5 volt utilizzando le caselle di testo nell'interfaccia utente. Inoltre, selezionare le directory di immagini e dati desiderate e il nome del file di output, utilizzando le caselle di testo nell'interfaccia utente.

Impostare l'interruttore Salva immagini nell'interfaccia utente in posizione sollevata e fare clic sul pulsante rettangolare verde sotto le parole Differenza di tensione in modo che non sia illuminato. Quindi, eseguire il programma Bending Test e attendere l'inizializzazione del controller del motore e delle interfacce della telecamera. Una volta inizializzato, spostare il tavolino nella direzione z positiva, utilizzando il cursore del potenziometro sul controller del motore, fino a quando la spicola non si trova all'interno del campo visivo del microscopio.

Quindi, utilizzare il cursore del potenziometro sul controller del motore dell'asse y per spostare il tavolino fino a quando la spicola non si trova sotto la punta del punto di carico. Quindi, regolare la manopola di messa a fuoco del microscopio in modo che la spicola sia a fuoco nell'interfaccia utente. Quindi, ruotare il micrometro del sensore di spostamento a fibra ottica in senso antiorario fino a quando la tensione di uscita è di circa 1,8 volt.

Una volta impostato, fai clic su Inizia test e attendi fino al completamento del test di flessione e il tavolino torna alla posizione iniziale dell'asse z. Lo spostamento della spicola nella direzione z e la forza applicata dalla punta del punto di carico possono essere calcolati utilizzando il file di interpolazione tensione-spostamento, il file di calibrazione della forza e il file del test di flessione ottenuti dal test di flessione a tre punti. Il file di interpolazione tensione-spostamento viene utilizzato per misurare lo spostamento a sbalzo durante la prova di flessione.

Per stimare la rigidezza del cantilever, viene utilizzata la calibrazione della forza, che viene quindi utilizzata per mettere in relazione lo spostamento del cantilever con la forza applicata dalla punta del punto di carico. Presi insieme, questi possono essere utilizzati per creare le risposte di spostamento della forza. Qui sono mostrate tre diverse spicole di ancoraggio di E.aspergillum provenienti da test di flessione a tre punti riusciti.

Una volta padroneggiato, con questo dispositivo è possibile eseguire un test di flessione in circa 10-15 minuti. L'aspetto più importante di questa procedura è garantire che la spicola sia posizionata correttamente sul tavolino e che il suo asse sia perpendicolare ai bordi della trincea. I test di flessione a tre punti forniscono un modo relativamente semplice per i ricercatori che studiano le strutture biologiche portanti di ottenere informazioni sul loro comportamento meccanico.

Dopo il test di flessione, le teorie del fascio possono essere utilizzate per calcolare il modulo di Young delle spicole e la resistenza alla frattura dai dati di spostamento della forza.