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Artigo de método

Medição de força dinâmica Agida na perna de Strider da água, saltar para cima pelo Sensor de película de PVDF

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DOI:

10.3791/58221

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3 de agosto de 2018

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1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

Neste artigo

Resumo

O protocolo aqui é dedicado a investigar o livre e rápida manobra de strider da água na superfície da água. O protocolo inclui observar a microestrutura de pernas e medir a força de adesão quando partem da superfície da água em diferentes velocidades.

Resumo

Este estudo teve como objetivo fazer uma explicação para o fenômeno na natureza que strider da água geralmente pula ou desliza sobre a superfície da água facilmente, mas rapidamente, com sua locomoção de pico de velocidade atingindo 150 cm/s. Em primeiro lugar, observamos a microestrutura e a hierarquia das pernas de strider da água usando o microscópio eletrônico de varredura. Com base na morfologia observada das pernas, foi estabelecido um modelo teórico do destacamento da superfície da água, que explicou a capacidade dos striders água para deslizar na superfície da água sem esforço em termos de redução de energia. Em segundo lugar, um sistema de medição de força dinâmica foi concebido utilizando o medidor de película PVDF com excelente sensibilidade, que poderia detectar o processo de interação toda. Posteriormente, um único pé em contacto com a água foi puxado para cima em diferentes velocidades, e a força de adesão foi medida ao mesmo tempo. Os resultados do experimento partido sugeriram uma compreensão profunda do pulo rápido de striders da água.

Introdução

Na natureza, água striders possui notável capacidade de saltar ou deslizam facilmente e rapidamente sobre a superfície da água com a ajuda das pernas delgadas e nonwetting1,2,3,4,5, mas raramente se movem lentamente, que é ao contrário os insetos terrestres. A estrutura hierárquica de água strider estabiliza o estado de superhydrophobic, que processa a dramática redução no esforço de aderência e área de contacto entre a água e a perna6,7,8, 9. no entanto, as vantagens hidrodinâmicas da retirada rápida de striders da água da superfície da água permanecem mal interpretado10,11,12.

O processo de saltar da superfície da água principalmente é dividido em três etapas13,14,15,16. Em primeiro lugar, água striders empurre para baixo a superfície da água com as pernas meio e traseiras para converter a energia biológica para a energia de superfície da água até afundar até a profundidade máxima, que permitem que o inseto inicializar a direção pula e determinar a velocidade de desmontar. Seguido pela fase ascendente, o inseto é empurrado para cima pela força capilar a curva da superfície da água até atingir a velocidade máxima. Na fase final de retirada, o strider da água continua a levantar-se pela inércia até quebrar longe da superfície da água, mas a velocidade é reduzida em grande parte devido a força de adesão com a água, que tem a principal influência sobre o consumo de energia da strider da água. Este protocolo propõe-se, portanto, para medir a força de adesão a diferentes velocidades de decolagem na fase de retirada e explicar a característica distinta de mover-se rápido.

Tem havido muitos estudos para explorar a força de adesão da água striders quando propelindo da superfície da água. Lee & Kim teoricamente e experimentalmente confirmou que a força de adesão e a energia necessária elevação pernas do strider água diminuiu drasticamente quando o ângulo de contacto aumentada para 160 graus17. Pan Jen Wei projetado um experimento de hidrostático para medir a força de adesão pelo sistema TriboScope, que foi encontrado para ser 1/5 do seu peso, 18. Kehchih Hwang analisou o processo quase estático das pernas desanexação da água com um modelo 2D e encontrei que o superhydrophobicity das pernas desempenhou um papel significativo na redução da adesão força e energia dissipação19. No entanto, a medição da força de adesão em estudos anteriores foi apenas na condição de um processo quase estático, que foi incapaz de monitorar as mudanças de força de adesão durante o salto rápido.

Neste estudo, nós projetamos um sistema de medição de força dinâmica usando polivinilideno fluoreto (PVDF) filme sensor e outro instrumento adjuvante. Comparado com outros materiais piezoelétricos, PVDF é mais apropriado para medir o microforce dinâmico com maior sensibilidade20,21,22. Integrando o sensor de película PVDF no sistema, a força de adesão em tempo real pode ser detectada e processada quando a perna estava puxando para cima de água de superfície23,24,25.

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Protocolo

1. observação da estrutura de superfície na perna de Strider da água

  1. Colete água striders de lagoas de água doce locais, usando a rede de aterragem de pesca.
  2. Corte pelo menos 5 pares de pernas meio como amostras experimentais, usando a tesoura. Toque a parte inferior das pernas com cuidado, para evitar a contaminação de superfície e o desintegrador de microestrutura na frente de pernas.
  3. Seca as pernas no ar, naturalmente.
  4. Observe a microestrutura superficial das pernas usando um microscópio eletrônico de varredura com resolução de nível micro, como mostrado na Figura 1um.
  5. Observe o microsetae das pernas usando um microscópio de elétrico com nano-níveis de resolução, conforme mostrado naFigura 1b.

2. prepare o componente do sistema de medição de força dinâmica

  1. Comprar um sensor de filme PVDF com uma dimensão de 14,9 X 10,2 mm2 X 28 μm, que produz mais de 10 mV por microtensão.
    Nota: O sensor de película PVDF é usado para sentir a força de contacto dinâmica com alta sensibilidade.
  2. Comprar um amplificador de carga com ganho de carga máximo 1000 mV/pC e baixo ruído inferior a 5 μV.
    Nota: O amplificador de carga é utilizado para ampliar o sinal do sensor de película de PVDF, em que a saída de carga do transdutor é convertida para uma tensão.
  3. Compra um dispositivo de aquisição de dados, em que a entrada analógica tem as taxas de amostra em um intervalo de 1 s/s 102.4 kS/s.
    Nota: O dispositivo de aquisição de dados é usado para ler os dados de tensão do amplificador de carga e enviá-los para o computador para processamento adicional e exibir.
  4. Compra de vários estágios de alta precisão de deslocamento e um servomotor.
    Nota: As pernas partem de água em diferente velocidade impulsionada por servomotor.
  5. Compra uma câmera CCD, cujo comprimento de foco é em um intervalo de 5 mm a 30 mm e taxa de quadros é 30 fps.
    Nota: Esta câmera é usada para gravar e monitorar a deformação da superfície da água e a distância entre as pernas e a superfície da água.
  6. Prepare um computador de alto desempenho.

3. montagem de todas as partes do sistema de medição de força dinâmica

  1. Monte o sistema de medição de força dinâmica, de acordo com a ilustração esquemática mostrada na Figura 2uma e o instrumento de experiência real mostrado na Figura 2b.
  2. Consertar um dos lados do sensor de película de PVDF com os eléctrodos para a fase de deslocamento de alta precisão, que é colocado no quadro horizontal, como o outro lado está pendurado. Este método de instalação do sensor de película PVDF ajuda a melhorar a resolução da medição para a força dinâmica do micro.
  3. Conecte o sensor de película PVDF com o amplificador de carga, o amplificador de carga para o dispositivo de aquisição de dados e o dispositivo de aquisição de dados para o computador.
  4. Conserte a câmera para a fase de alta precisão de deslocamento, que é colocada no lado esquerdo do sensor de película PVDF.
  5. Para aproximadamente ajustar a distância entre as pernas e a água rapidamente, arrumar um estágio de alta precisão de deslocamento para o quadro acima o sensor de película PVDF, cuja separação do sensor de película de PVDF é cerca de 10 cm.
  6. Para levantar a perna longe da superfície da água a uma velocidade precisa, conserte o servomotor abaixo do palco de alta precisão de deslocamento.

4. calibração do sistema de medição de força dinâmica

  1. Usar o sistema de força eletrostática26 para gerar uma força constante de micro atuou na extremidade livre do sensor de película PVDF, cuja magnitude deve ser menos de 0.5 µN. controlar a força eletrostática do sistema por uma tensão aplicada aos eletrodos internos e exteriores do capacitor cilíndrico igualado.
    Atenção: A força deve agir em uma direção normal à superfície de película PVDF e o ponto de aplicação é suposto para ser tão próximo quanto possível para a ponta do sensor de película de PVDF para aumentar a sensibilidade.
  2. Liberte a força em um tempo curto para gerar uma entrada de passo.
  3. Ler o sinal de tensão-tempo da etapa 4.2 no computador utilizando o software LabVIEW, que ajuda ler os sinais de tensão de saída do sensor de película de PVDF.
    1. Baixe o software LabVIEW e o driver de hardware NI-DAQmx no site oficial da National Instruments.
    2. Abra o demo da medição contínua tensão analógica usando o LabVIEW, como mostra a Figura 3.
    3. Selecione o canal físico do dispositivo de aquisição de dados conectados com o amplificador de carga no módulo de Configurações de canal.
    4. Defina a taxa de amostra de 100000 e o número de amostras a 100000 no módulo de Configurações de temporização.
    5. Selecione o Log e leitura como o modo de log e escrever o caminho do arquivo para armazenar os dados de tensão no módulo de Configurações de log.
    6. Não selecione nenhum gatilho no módulo de Configurações de gatilho.
    7. Clique no botão de seta-forma na barra de ferramentas para o sinal de tensão da amostra.
  4. Analise a curva de tensão, em que o pico de tensão é correspondente para forçar agiu no sensor.
  5. Repita as etapas de 4,1-4,4 na entrada de força diferentes, em que uma série de pontos de tensão-força são ganhadas.
  6. Determine a relação sobre o pico de tensão de saída e o padrão força no resultado da calibração.

5. medição de força de adesão a uma certa velocidade

  1. Coloque uma gota de água (5 µ l) na extremidade livre do sensor de película de PVDF usando uma micropipeta mecânica.
    Nota: A localização da gota deve ser próximo a ponta do sensor de película de PVDF.
  2. Enfiar uma perna única para o servomotor abaixo do palco de alta precisão de deslocamento.
  3. Mova o estágio de alta precisão de deslocamento para baixo até os contatos de perna com a superfície da água, como mostrado na Figura 4um. Monitore a distância entre a superfície de perna e água por sistema de câmera montada no lado esquerdo do sensor.
  4. Levante a perna afastada da superfície da água a uma velocidade constante através do servo motor.
  5. Calcular a força correspondente a cada ponto da curva de tensão do processo de partida, com o modelo estabelecido na etapa 4.6 e em seguida, desenhe a curva força-tempo de partida do processo, conforme mostrado na Figura 4b.
  6. Recorde a adesão de pico do processo de partida a uma certa velocidade.

6. medição de força de aderência em velocidades diferentes.

  1. Alterar a velocidade de levantamento das pernas por servomotor e medir a força de adesão de acordo com a etapa 5.
  2. Traça a força de adesão contra o levantamento de curva de velocidade usando os dados que obteve na etapa 6.1.
  3. Analise a relação entre a força de adesão e a velocidade de levantamento através da curva.

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Resultados

A relação entre força de aderência e velocidade de levantamento é mostrada na tabela 1. Aumenta a velocidade do levantamento de 0,01 m/s a 0,3 m/s, force a adesão entre a água superfície e perna diminui drasticamente a partir de 0,10-0,03. Os resultados do experimento partido mostraram que a força de adesão máxima iria diminuir drasticamente, como o aumento de velocidade do levantamento, que indicou que os striders da água pode se sentir confortáveis se movem-se rapidamen...

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Discussão

Neste protocolo, um sistema de medição de força dinâmica baseado no sensor de película de PVDF foi com êxito concebeu, montado, calibrado para medir a força de adesão longe da superfície da água. Entre as etapas de toda, que era crucial que a força de adesão foi medida em diferentes velocidades, levantando a perna da superfície da água, como este estudo centrou-se a característica marcante de manobras rápidas sobre a água. Os resultados de partida a experiência mostraram que a força de adesão diminuiu quando aumentou a v...

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Divulgações

O autor não tem nada para divulgar.

Agradecimentos

Os autores graças a pesquisa nacional de tecnologia de chave e o programa de desenvolvimento do Ministério da ciência e tecnologia da China (n. º 2011BAK15B06) pelo seu apoio. Agradece o Shuya Zhuang que é um estudante de mestre do nosso laboratório por nos ajudar a completar a gravação do vídeo.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Sensor de filme PVDFTE ConnectivityDT1-028K/LO sensor de filme PVDF é usado para detectar a força de contato dinâmica.
Amplificador de cargaWuxi Shiao Technology co.,LtdYE5852BO amplificador de carga  é um integrador eletrônico de corrente que produz uma saída de tensão proporcional ao valor integrado da entrada
Dispositivo de aquisição de dadosNational InstrumentsUSB-4431O dispositivo de aquisição de dados é usado para ler os dados de tensão.
Estágio de deslocamentoZOLIXINSTRUMENTS CO. LTDKSAV1010-ZFKSAV1010/2030-ZF é um estágio vertical de cunha com alta resolução, alta estabilidade e alta carga.
Câmera CCDShenzhen Andonstar Tech Co., Ltdmicroscópio digital A1Taxa de quadros: 30 quadros / seg; Distância focal: 5mm - 30mm
ComputadorLenovoG480
ServomotorEMAX US Inc.ES08MDNão é ruim este servo com velocidade variando de 0,10 seg / 60 ° / 4,8 v a 0,08 seg / 60 ° / 6,0 v.
Pipetas MecânicasDragon Laboratory Instruments LimitedYE5K693181As pipetas cobrem a faixa de volume de 0,1 μ l a 2,5 μ l

Referências

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