Studiul frecării în microsisteme

A.FRECAREA IN MICROSISTEME

Microsistemul este un sistem tehnic realizat cu ajutorul microtehnologiilor si care poate indeplini functii multiple intr-un spatiu redus.

In microsisteme, dimensiunile sunt de ordinul de marime 10-9 - 10-3 m, masele elementelor sunt de ordinul 10-6 – 10-3 grame iar fortele sunt de ordinul a 10-6 – 10-3 N. Uzura este practic nula in aceste microsisteme iar procesele de frecare şi de ungere prezinta legi cu totul diferite ca cele din domeniul macrosistemelor.

In cazul microsistemelor prezinta importanta numeroase forte de interactiune la scara atomica, neglijate in macrosisteme: forte de adeziune; forte capilare; forte electrostatice.

1.Forte de adeziune

Doua elemente aflate in contact direct se atrag reciproc, contactul fiind o stare de energie minima. Pentru desfacerea contactului este necesara o forta numita forta de adeziune. Fortele de adeziune pot fi pe directie normala la suprafetele aflate in contact atunci când când suprafetele se indeparteaza sau pot fi pe directie tangentiala atunci când suprafetele sunt in mişcare de alunecare.

Fig. 1

Fig. 2

In fig.1 si fig. 2 se prezinta determinarea celor doua tipuri de forte de adeziune.

In fig. 1, prin apasarea placii asupra bilei se produce o deformare elastica a resortului iar forta de apasare Fn poate fi exprimata cu relatia:

(1)

unde k este constanta de elasticitate a arcului iar reprezinta deformatia elastica a arcului. Deplasând in sens invers placa, arcul revine la pozitia initiala şi este intins suplimentar cu deformatia ( zmax – z0 ) ca urmare a fortei de adeziune exprimata de relatia:

(2)

In fig. 2 suprafata plana se deplaseaza tangential in raport cu bila. Ca urmare a adeziunii dintre bila şi suprafata plana, bila se deplaseaza odata cu placa şi arcul se intinde cu o anumita deformatie, pâna când se atinge o valoare maxima a fortei tangentiale Ffs numita forta de frecare statica sau forta de frecare de adeziune,

(3)

Dupa atingerea valorii limita Ffs bila se desprinde de pe suprafata placii capatând o viteza v2 diferita de viteza placii v1, bila alunecând astfel peste placa. In aceste conditii arcul este tensionat cu o forta mai mica Ffd, numita forta de frecare dinamica.

Alunecarile şi de aderentele se pot repetata succesiv in cazul vitezelor mici de alunecare generându-se fenomenul de Stick – Slip (alunecare sacadata).

2. Forte capilare

Apa din atmosfera condenseaza pe suprafetele elementelor in contact in straturi de grosime de pâna la zeci de nanometri. Suprafetele ajunse in contact sunt atrase de presiunea Laplace cauzata de efectul de capilaritate.

Fig.3.

In fig. 3 se prezinta cazul unei sfere pe o suprafata plana, unde presiunea Laplace este data de relatia: