Medição de força dinâmica Agida na perna de Strider da água, saltar para cima pelo Sensor de película de PVDF
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| PVDF film sensor | TE Connectivity | DT1-028K/L | The PVDF film sensor is used to sense the dynamic contact force . |
| Charge amplifier | Wuxi Shiao Technology co.,Ltd | YE5852B | The charge amplifier is an electronic current integrator that produces a voltage output proportional to the integrated value of the input |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the voltage data. |
| Displacement stage | ZOLIXINSTRUMENTS CO.LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF is a wedge vertical stage with high-resolution, high-stability and high-load. |
| CCD camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec;Focal distance: 5mm – 30mm |
| Computer | Lenovo | G480 | |
| Servomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | It's not bad this servo with speed varying from 0.10 sec/60° / 4.8v to 0.08 sec/60°/6.0v. |
| Mechanical Pipettes | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | The pipettes cover volume range of 0.1 μl to 2.5 μl |
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