CASESTUDY
"Outside the Box" - De nauwkeurige meting van de energie van de onderkaakaanval van een valkaakmier door het gebruik van OAV-luchtlagers.
​
OAV-oprichter Murat Erturk's favoriete uitdrukking, "outside the box", is passend geassocieerd met het bedrijf dat Murat begon na zijn technische carrière in ruimtevaart- en luchtvaartgerelateerde technologieën. "out of the box" bij het spreken met klanten en klanten of bij het ontwikkelen van nieuwe luchtlagers om bestaande productie- en industriebrede problemen op te lossen. Op dezelfde manier waarop LED-technologie gloeilampen is gaan vervangen, vervangen wrijvingsloze luchtlagers snel de standaard rollagers. en lineaire lagers, niet alleen dankzij de behoefte van de industrie aan meer efficiëntie en energiereductie, maar ook vanwege de behoefte aan grotere precisie en kostenbesparingen op de lange termijn.
​
Justin Jorge, een promovendus in het laboratorium van Dr. Sheila Patek aan de Duke University, kreeg onlangs de opdracht om de energie te meten die vrijkomt uit de kaken van een mier, de valkaakmier om precies te zijn. Jorge besefte dat de huidige sensoren en technieken voor energiemeting niet werkten op de schaal en tijdschaal van een valkaak-aanval op de onderkaak en hij begon een nieuw op een slinger gebaseerd meetsysteem te creëren. Na een lange periode van ontwerpen en testen, kwam Jorge tot de conclusie dat conventionele technieken voor het maken van een slinger (inclusief een op een slinger gebaseerd meetsysteem met behulp van bestaande rollagers) voor het nauwkeurig meten van de energie die vrijkomt uit de kaken, absoluut onvoldoende en onnauwkeurig waren. Elke poging tot meting werd inderdaad buitengewoon moeilijk gemaakt vanwege de grootte, snelheid en versnelling van de kaken van de valkaakmier - een begrijpelijke conclusie gezien de uiteinden van de kaken versnellen met een snelheid die groter is dan een kogel die wordt afgevuurd door een gewoon pistool . De energie die wordt gegenereerd door de kaken op hun doelwit kon niet nauwkeurig worden bepaald door het gebruik van gemeenschappelijke technologieën met behulp van standaardmethoden met een gemeenschappelijke rotatielager. Gegevens genomen werd gecompromitteerd door de energie die nodig was om de initiële wrijving en het traagheidsmoment van de traditionele lagers in eerdere ontwerpen van de testopstelling te overwinnen.
​
Jorge werkte in het laboratorium van Dr. Patek aan de Duke University en hoopte een nieuw op een slinger gebaseerd meetinstrument te ontwerpen dat een gereduceerd of wrijvingsloos rotatiepunt vereiste. op een nieuwe technologie – luchtlagers – als mogelijke oplossing. Na een reeks ontwerp- en toepassingsbesprekingen met de ingenieurs van OAV wist hij dat hij op de goede weg was. Latere tests hebben bewezen dat hij gelijk heeft.
​
Door het traditionele rollager op het draaipunt van de dubbele stijve pendeltestconstructie te vervangen door het OAV-luchtrollager, kon Jorge de hindernis overwinnen die traditionele lagers met zich meebrengen bij het verzamelen van kwaliteitstestgegevens. His conclusies waren duidelijk: "wrijving heeft een groot effect op energiemeting op deze schalen (micro-joules) ... en ... de hoeveelheid energie die wordt gemeten met de OAV-luchtlagers is minstens zes keer groter dan wanneer we traditionele kogellagers gebruikten."_cc781905 -5cde-3194-bb3b-136bad5cf58d_ Het duidelijke gevolg van deze conclusie is het duidelijke verlies aan energie dat verloren gaat door de rotatiebeweging van de traditionele lagers en de langetermijnvoordelen van het gebruik van luchtlagers ten opzichte van traditionele lagers. Jorge concludeerde ook dat, hoewel het luchtlager duidelijk duurder is dan traditionele lagers, men "het gebruik ervan kan rechtvaardigen door tijdsbesparingen door het elimineren van onderhoud tussen tests en de precisie. ion en nauwkeurigheid die onmogelijk is met traditionele lagers. minder onderhouds- en uitvaltijd (en bijbehorende arbeidskosten), verhoogde betrouwbaarheid op lange termijn en nauwkeurigheid.
OAV-ingenieurs hebben soortgelijke verhalen in veel van hun ondersteunend werk voor universitaire en zakelijke onderzoekers. Of men nu de energie test die wordt gegenereerd door de aanval van de kaak en de onderkaak of de energie die wordt gegenereerd door de vleugels van een gewone huisvlieg, OAV werkt aan oplossingen voor de toekomst.
_____________________________
Jorge, JF, Bergbreiter, S. en Patek, SN (2021). Metingen op basis van slingers onthullen impactdynamiek op de schaal van een valkaakmier. J Exp Biol jeb.232157.
​
Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door het US Army Research Laboratory en het US 592 Army Research Office onder contract-/subsidienummer W911NF-15-1-0358.
The Optical Sciences Centre at the Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia aimed to better understand the behavior of liquid droplets bouncing on the surface of a fluid bath through a quantum physical lens. When droplets are subject to periodic forcing, they may begin to "walk" on the surface of the fluid, a result of each impact of the droplet with the fluid surface triggering a capillary wave, and the subsequent gradients in the fluid surface driving the planar motion of the droplets. The team characterized these droplets as "droplet time crystals" (DTC), which are periodically driven systems that exhibit a persistent oscillatory response with an integer multiple of the driving period. The main components of the experiment included the electrodynamic shaker, the OAV Air Bearing [OAVBX5050], the fluid bath, the droplet printer, and the optical imaging system used to observe and process the information from the experiments.
Using a custom optical table that rested on passive vibration isolation legs for elimination of external noise, the driving force was provided by an electrodynamic shaker bolted onto a layer cake structure, which rested on machine mounts. The shaker was connected to the OAV Air Bearing through a drive rod, and the air bearing was mounted on an aluminum plate on top of the optical table, connected to a high-purity compressed air supply. The fluid bath was leveled, and the air bearing assembly was clamped in place before the air bearing slider bar was connected to the drive rod. The design assembly can be seen in the below graphic.
The OAV Air Bearing was a crucial component in the assembly. Indeed, the OAVBX5050 was used to reduce the transverse vibrations through stabilization of the entire system due its smooth and ultra-precise frictionless motion. Frictionless motion in the axial direction prevented adverse motion in the transverse plane. The team chose an air bearing with a large enough surface area to maintain the total payload to a minimum, reducing the shaker resonances.
The fluid bath had a fluid containing diameter of 100 mm, with mass totaling to 570 g. It was mounted on an air bearing slider bar and was precisely aligned by tilting the whole optical table using a two-axis digital level. Vibrations of the bath were measured using two piezoelectric single-axis accelerometers. Droplets were introduced onto the fluid bath surface using a droplet printer consisting of a computer-controlled two-axis linear translation stage and a piezoelectric droplet generator. The droplet generator utilized a 35 mm diameter piezoelectric buzzer disk and M6 threaded brass nozzle with 0.1-1.0 mm nozzle size. The fluid was pumped into the generator by a peristaltic pump, and the fluid level was set using a micrometer translation stage. The droplets' motion was tracked via a top view camera and a side view camera.
In the experiment, multiple subsystems were used to control the data acquisition and measurement. A computer was used to generate the driving signal for the shaker and read the accelerometer data, both at a 32 kHz sampling rate. The signals were monitored using a digital storage oscilloscope and a software feedback loop maintained a fixed driving amplitude. A droplet printer was used to deposit droplets onto the fluid surface and two microcontrollers were used to monitor temperature probes and the droplet printer. The cameras were triggered manually and the images were processed manually. However, all subsystems were integrated and controlled by a single workstation. Baseline measurements were performed to characterize the mechanical resonance properties of the shaker and study its dependence on payload. The shaker resonances were found to conform to the expectations and were in good agreement with previous studies.
The laboratory had air conditioning system to maintain 0.5 °C temperature stability, monitored by two PT100 platinum RTD probes and a microcontroller. Calibration was done relative to each other at 21 °C ambient temperature. The fluid used for the experiments was silicone oil with density of 950 kg/m3 and viscosity of 20 cSt at 25 °C. The thermal characterization depicted that the temperature of the fluid and the air remained within the air conditioning system specifications. However, the high-speed imaging light (135 W LED) could generate turbulent air currents and affect the droplet dynamics, so it should only be turned on when necessary. These adverse effects can be eliminated by protecting the fluid bath with enclosures. Continuous measurement of fluid temperature is not necessary unless extreme precision is required.
When the fluid bath vibrated above a certain frequency-dependent amplitude, called the Faraday threshold, Faraday waves emerged on the fluid surface. The authors observed Faraday patterns with square and triangular unit cells that repeated at a lower frequency than the driving frequency of the fluid bath. The authors also introduced droplets onto the fluid surface and observed that they stably bounced in a (2,1) mode, where their center of mass undergoes vertical periodic oscillations at half the driving frequency of the fluid bath. The droplets also supported internal vibrational modes in free space. The authors fixed the driving frequency and amplitude and studied the effect of varying the droplet size on the droplet's bouncing dynamics.
The droplet printer-generator produced arbitrary two-dimensional patterns of droplets on a bath. The resulting structures were determined by droplet-droplet interactions. An example of this is a square lattice of droplets, which after 5 minutes, undergoes a transmutation to a triangle lattice. This is a non-trivial phenomenon as the system is driven far from the Faraday threshold and the preference for a triangle lattice over a square lattice cannot be explained by energy conservation or higher packing fraction alone. The observed behavior is due to complex, self-consistent interplay between wave-mediated many-body interactions between the droplets and subtle boundary effects.
​
______________________________
Tapio Simula 2023 Phys. Scr. 98 035004
​
This material is based on work supported by The Optical Sciences Centre at the Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia.