System do badania zginania w skali milimetrowej do pomiaru właściwości mechanicznych iglic z gąbek morskich

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zmierzenie zachowania włókien o średnicy od 10 do 100 mikrometrów. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące mechanicznego zachowania struktur biologicznych, takich jak wytrzymałość i sztywność iglic gąbek morskich. Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją wykorzystać do pomiaru zachowania mechanicznego szerokiej gamy materiałów o różnych rozmiarach i właściwościach elastycznych.

Chociaż metoda ta może dostarczyć informacji na temat mechanicznego zachowania kolców, można ją również zastosować do innych nośnych struktur biologicznych, takich jak łodygi roślin i osadki piór. Aby rozpocząć, przymocuj punkt obciążenia do wspornika za pomocą z gniazdowym nr 4-40. Uważaj, aby nie zdeformować plastycznie ramion wspornikowych podczas mocowania punktu obciążenia.

Następnie umieść końcówkę punktu obciążenia z dala od płyty wspornikowej i luźno przymocuj wspornik do płyty za pomocą z gniazdowym o numerze 6-32. Następnie włóż kołki wyrównujące 1/8 cala przez wspornik i płytę, dokręć, a następnie wyjmij kołki wyrównujące. Cofnij światłowodowy czujnik przemieszczenia tak bardzo, jak to możliwe, obracając mikrometr czujnika w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Następnie luźno przymocuj płytę wspornikową do ramy za pomocą z walcowym o numerze 6-32 z końcówką punktu obciążenia skierowaną w ujemnym kierunku z. Ponownie włóż kołki wyrównujące 1/8 cala, tym razem przez ramę i płytę wspornikową, dokręć, a następnie wyjmij kołki wyrównujące. Teraz umieść stolik na płycie podstawy stolika tak, aby końcówki głowic mikrometrycznych na płycie poziomującej spoczywały we wgłębieniach płyty podstawy stolika.

Umieść poziomicę na stole izolacyjnym i wyreguluj ciśnienie w każdej z nóg stołu, obracając radełkowane ramienia zaworu tak, aby powierzchnia była równa. Przesuń poziomicę na górę płytki wyrównującej stage i wyreguluj mikrometr tak, aby był również wypoziomowany. Zwróć uwagę na pozycje mikrometru i wyjmij stolik z płyty podstawy stage.

Użyj pęsety, aby chwycić jedną iglicę kotwiczną za jej dystalny koniec i pociągnij, aby usunąć ją ze szkieletu. Umieść spikulę na czystym szkiełku mikroskopowym. Używając pięciokrotnej czerwonej szczotki sobolowej w rozmiarze zero, przyłóż spikulę do szkiełka.

Wytnij czteromilimetrowy odcinek szpilki, dociskając żyletkę do igły po obu stronach szczotki, prostopadle do powierzchni szkiełka. Następnie odrzuć dystalną i proksymalną część iglicy i utrzymuj czteromilimetrowy przekrój odcięty od punktu środkowego. Przenieść przekrój spikuli do etapu pobierania próbek.

Umieść go w poprzek wykopu z żądaną rozpiętością do próby zginania i delikatnie popchnij go w dodatnim kierunku y do grzbietu rowu, aby upewnić się, że iglica jest prostopadła do krawędzi rowu. Umieść stolik na płycie podstawy stolika tak, aby końcówki wrzecion mikrometru spoczywały we wgłębieniach podstawy stolika. W razie potrzeby wyreguluj mikrometry na płycie poziomującej stolika.

Otwórz program do testu zginania znajdujący się w pliku kodu uzupełniającego i ustaw rozmiar kroku na dwa mikrometry, maksymalne przemieszczenie na 0,5 milimetra, zatrzymanie niskiego napięcia na 1,5 V i zatrzymanie wysokiego napięcia na 4,6 wolta, korzystając z pól tekstowych pokazanych w interfejsie użytkownika. Wybierz żądany obraz, katalogi danych i nazwę pliku wyjściowego, korzystając z pól tekstowych w interfejsie użytkownika. Następnie ustaw przełącznik Zapisz obrazy w interfejsie użytkownika w dolnej pozycji i kliknij zielony prostokątny przycisk poniżej słów Różnica napięć, aby się zaświecił.

Teraz uruchom program Test zginania i poczekaj na zainicjowanie interfejsu sterownika silnika i kamery. Włącz oświetlacz i dostosuj jasność tak, aby końcówka punktu obciążenia była widoczna. Następnie obróć mikrometr światłowodowego czujnika przemieszczenia zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż napięcie wyjściowe wyświetlane na wykresie interfejsu użytkownika wyniesie około 1,7 wolta.

Teraz użyj suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi z, aby przesunąć stolik w dodatnim kierunku z, aż znajdzie się około jednego centymetra poniżej końcówki punktu obciążenia, a następnie ustaw pozycję początkową osi z, klikając przycisk Home. Użyj suwaków potencjometru na sterownikach silników osi x i y, aby ustawić końcówkę punktu obciążenia nad środkiem cienkiej taśmy stalowej znajdującej się na stoliku próbki w ujemnym kierunku x od wykopu. Następnie użyj suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi z, aby przesunąć stolik w dodatnim kierunku z, aż stolik znajdzie się w polu widzenia mikroskopu.

Kliknij przycisk oznaczony Rozpocznij test, a po wyświetleniu monitu wprowadź wartości 0.003 V i 0.001 milimetra odpowiednio dla czułości na dotyk i rozmiaru kroku dotknięcia. Kliknij przycisk OK i poczekaj kilka minut na zakończenie kalibracji. Otwórz i uruchom program Basic Data znajdujący się w pliku kodu uzupełniającego i obróć mikrometr czujnika przemieszczenia światłowodu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż napięcie wyjściowe wyświetlane na wykresie interfejsu użytkownika wyniesie około trzech woltów.

Następnie użyj suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi x, aby umieścić końcówkę punktu obciążenia między krawędziami wykopu nad wypiczem. Użyj również suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi z, aby przesunąć stolik w dodatnim kierunku z, aż końcówka punktu obciążenia znajdzie się poniżej górnej powierzchni grzbietu rowu. Na koniec użyj suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi y, aby ustawić ostrość na przedniej powierzchni grzbietu rowu, tak aby cała szerokość końcówki punktu obciążenia znajdowała się między krawędziami grzbietu rowu.

Następnie zatrzymaj program Basic Data, klikając przycisk Zatrzymaj. Następnie otwórz i uruchom program Center Load Point, jak znajduje się w pliku kodu uzupełniającego. Użyj sterownika silnika osi x, aby przesunąć stolik do momentu, gdy końcówka punktu obciążenia prawie zetknie się z prawą krawędzią rowu.

Następnie kliknij przycisk Znajdź krawędź. Po wyświetleniu monitu użyj sterownika silnika osi x, aby przesunąć stolik, aż końcówka punktu obciążenia prawie zetknie się z lewą krawędzią rowu. W tym momencie ponownie kliknij przycisk Znajdź krawędź i poczekaj, aż program umieści końcówkę punktu obciążenia w połowie przęsła wykopu.

Następnie otwórz program Test zginania. Ustaw rozmiar kroku na dwa mikrometry, maksymalne przemieszczenie na 0,5 milimetra, zatrzymanie niskiego napięcia na 1,5 V i zatrzymanie wysokiego napięcia na 4,5 V za pomocą pól tekstowych w interfejsie użytkownika. Dodatkowo wybierz żądane katalogi obrazów i danych oraz nazwę pliku wyjściowego, korzystając z pól tekstowych w interfejsie użytkownika.

Ustaw przełącznik Zapisz obrazy w interfejsie użytkownika w pozycji górnej i kliknij zielony prostokątny przycisk poniżej słów Różnica napięć, aby nie świecił. Następnie uruchom program Test zginania i poczekaj na zainicjowanie interfejsów sterownika silnika i kamery. Po zainicjowaniu przesuń stolik w dodatnim kierunku z, używając suwaka potencjometru na sterowniku silnika, aż iglica znajdzie się w polu widzenia mikroskopu.

Następnie użyj suwaka potencjometru na sterowniku silnika osi y, aby przesunąć stolik, aż iglica znajdzie się pod końcówką punktu obciążenia. Następnie wyreguluj pokrętło ostrości mikroskopu tak, aby spikula była ostra w interfejsie użytkownika. Następnie obróć mikrometr światłowodowego czujnika przemieszczenia w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż napięcie wyjściowe wyniesie około 1,8 wolta.

Po ustawieniu kliknij Rozpocznij test i poczekaj, aż test zginania zostanie zakończony i stage powróci do pozycji początkowej osi z. Przemieszczenie iglicy w kierunku z i siłę przyłożoną przez końcówkę punktu obciążenia można obliczyć za pomocą pliku interpolacji napięcie-przemieszczenie, pliku kalibracji siły oraz pliku próby zginania uzyskanego z trzypunktowej próby zginania. Plik interpolacji napięcia i przemieszczenia służy do pomiaru przemieszczenia wspornika podczas próby zginania.

Aby oszacować sztywność wspornika, stosuje się kalibrację siły, która jest następnie wykorzystywana do powiązania przemieszczenia wspornika z siłą przyłożoną przez końcówkę punktu obciążenia. Podsumowując, można je wykorzystać do stworzenia reakcji na przemieszczenie siły. Pokazane tutaj są trzy różne iglice kotwiące E.aspergillum z udanych testów zginania trzypunktowego.

Po opanowaniu próbę zginania można przeprowadzić za pomocą tego urządzenia w ciągu około 10 do 15 minut. Najważniejszym aspektem tej procedury jest upewnienie się, że iglica jest prawidłowo osadzona na scenie i aby jej oś była prostopadła do krawędzi wykopu. Trzypunktowe testy zginania stanowią stosunkowo prosty sposób dla naukowców badających nośne struktury biologiczne na uzyskanie wglądu w ich mechaniczne zachowanie.

Po teście zginania można wykorzystać teorie belki do obliczenia modułu Younga i wytrzymałości na pękanie na podstawie danych o przemieszczeniu siły.