Impact of Adhesion and Viscosity Forces on Friction Variations in Bio-Tribological Systems

• Autorzy: Wierzcholski K. , Miszczak A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ sił adhezji i lepkości na zmiany sił tarcia w układach biotribologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The classical theory of lubrication holds that the lubricant dynamic viscosity increments cause the increments of hydrodynamic pressure, as well as friction forces and wear. In the case of high values of hydrodynamic pressure, it very often has a significant impact on the friction coefficient. New achievements in the field of micro-and nano-tribology provide for new hypotheses on the decrements and increments of the friction coefficient in the case of the lubricant viscosity increments. Experimental investigations have shown that, even in the case of decrements of the friction coefficient with the lubricant viscosity increments, such decrements are very often lower than simultaneous hydrodynamic pressure increments which results in the friction force increments with the lubricant viscosity increments. In biological friction nods, we can observe a varied impact of the biological lubricant viscosity on the friction force and friction coefficient values. The abovementioned impact is caused by the adhesion and cohesion forces occurring between the biological fluid particles flowing around the phospholipid bilayer on the superficial layer of the cartilage with varied wettability and hydrogen ion concentration. The wettability (We) and power hydrogen ion concentration (pH) have a significant impact on the physiological fluid or biological lubricant viscosity variations and, as a result, on the friction forces and friction coefficient. This paper describes the abovementioned impact and the process of friction forces and friction coefficients variations in biological friction nods.

PL

Z klasycznej teorii hydrodynamicznego smarowania wynika, że wzrost lepkości dynamicznej czynnika smarującego powoduje wzrost ciśnienia hydrodynamicznego, a także wzrost sił tarcia i zużycia. W przypadku dużych wartości ciśnienia widoczny jest jego wpływ na wartość współczynnika tarcia. Intensywny rozwój mikro-i nanotribologii przyczynił się do powstania wielu hipotez odnośnie do wzrostu i malenia współczynnika tarcia wraz ze wzrostem lepkości czynnika smarującego. Badania eksperymentalne dowiodły, że nawet w przypadku malenia współczynnika tarcia ze wzrostem lepkości oleju to spadki te są na ogół na tyle mniejsze od równoczesnych wzrostów ciśnienia, co w rezultacie doprowadza do wzrostu siły tarcia ze wzrostem lepkości. W biologicznych węzłach tarcia rozmaity wpływ lepkości cieczy biologicznej na zmiany wartości sił tarcia oraz współczynnika tarcia uwidacznia się jeszcze bardziej. Wpływ ten jest powodowany dużym udziałem sił adhezji i kohezji pomiędzy cząsteczkami cieczy biologicznej opływającymi macierz komórkową dwuwarstwych fosfolipidów zalegających na chrząstce stawowej o zmiennej zwilżalności We i zmiennym stężeniu jonów wodorowych (pH). Zarówno We, jak i pH mają duży wpływ na zmiany lepkości cieczy fizjologicznej w szczególności cieczy synowialnej, które z kolei zmieniają wartości sił tarcia i współczynnik tarcia. Niniejsza praca opisuje i ilustruje mechanizm przedstawionych zmian i wpływów dla biologicznych węzłów tarcia.

Słowa kluczowe

EN

bio-hydrodynamic lubrication; physiology fluids; viscosity; wettability; hydrogen ion concentration; friction forces; friction coefficient

PL

smarowanie biohydrodynamiczne; ciecz fizjologiczna; lepkość; zwilżalność; stężenie jonów wodoru; siły tarcia; współczynnik tarcia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 2
• Strony: 139--151
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Technical University of Koszalin, Institute of Technology and Education, ul. Śniadeckich 2, 75-453 Koszalin, Poland

autor

Miszczak A.

• Gdynia Maritime University; Morska 81-87, 81-225 Gdynia

Bibliografia

• 1. Taylor C. J., Dieker L. E., Miller K. T., Koh, C. A., Dendy S. E.: Micromechanical adhesion, Science, 2007, 306, pp. 255–261.
• 2. Eui-Sung Yoon, Seung Ho Yang, Hung-Gu Han, Hosung Kong: An experimental study on the adhesion at a nanocontact, Wear, 2003, 254, pp. 974–980.
• 3. De La Fuente L., Montanes E., Meng Yizhi Li Yaxin, Burr T. J., Hoch H. C.: Wu Mingming, Assessing adhesion force of Type I and Type IV Pili of Xylella fastidiosa bacteria by use of microfluidic flow chamber, Applied and Environmental Microbiology, 2007, Vol. 73, pp. 2690–2696.
• 4. Li-Chong Xu, Logan B. E.: Adhesion forces functionalized latex microspheres and protein-coated surfaces evaluated using colloid probe atomic force microscopy, Colloid and Surfaces B, 48, pp. 84–94, 2006.
• 5. Manabu Takeuchi: Adhesion Forces of Charged Particles, Chemical Engineering Science, 2006, 61, pp. 2279–2289.
• 6. Schwender N., Huber K., Marravi F.Al., Hannig M., Ziegler Ch.: Initial bioadhesion on surfaces in the oral cavity investigated by scanning force microscopy, Applied Surface Science, 2005, 252, pp. 117–122.
• 7. Wierzcholski K., Miszczak A.: Adhesion Influence on the Oil Velocity and Friction Forces in Conical Microbearing Gap. Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance, Polish Academy of Sciences (Zagadnienia Eksploatacji Maszyn Kwartalnik PAN), 2010, z.1(161), Vol. 45, pp. 61–69.
• 8. Wierzcholski K., Miszczak A.: Adhesion Influence on the Oil Velocity and Friction Forces in Cylindrical Microbearing Gap. Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance, Polish Academy of Sciences (Zagadnienia Eksploatacji Maszyn Kwartalnik PAN), 2010, z.1(161), vol. 45, pp. 71–79.
• 9. Wierzcholski K.: Adhesion and cohesion forces occurring in parabolical microbearing. Tribologia, 2009, 5(227), pp. 221–228.
• 10. Wierzcholski K.: Adhesion influences on the pressure and carrying capacity of cylindrical microbearing. Tribologia, 2009, 5 (227), pp. 229–236.
• 11. Wierzcholski K., Miszczak A.: Friction forces on the lubricated surfaces in micro and nanoscale. Journal of Kones Powertrain and Transport, 2008, Vol. 15 No. 4, pp. 597–602.
• 12. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.: Friction forces measurements by the acoustic emission for slide bearing test stand in University of Applied Science Giessen. Journal of Kones Powertrain and Transport, 2008, Vol. 15 No. 4, pp. 627–633.
• 13. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.: Friction forces measurements for slide bearing test stand in Maritime University Gdynia using the acoustic emission method. Journal of Kones Powertrain and Transport, 2008, Vol. 15 No. 2, pp. 571–578.
• 14. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.: Test stand in University of Applied Science Giessen for friction forces measurements in slide bearing using the acoustic emission method. Journal of Kones Powertrain and Transport, 2008, Vol.15 No. 3, pp. 591–595.
• 15. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.: A new measurements method of friction forces regarding slide journal bearing by using acoustic emission-Continuation.Nowe pomiary sił tarcia w łożyskach ślizgowych przeprowadzone metodą emisji akustycznej-Kontynuacja.Tribologia, 2010, 1(229), pp. 149–156.
• 16. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.: Friction Forces Measurements by the acoustic emission for slide bearing test stand at University of Applied Sciences Giessen, Journal of Kones, 2008, Vol. 15, Nr. 4, pp. 627–633.
• 17. Silva R. A., Assato M., M. J. S. de Lemos: Mathematical modeling and numerical results of power-law fluid flow over a finite porous medium, International Journal of Thermal Sciences, 2016, Vol. 100, pp. 126–137.
• 18. Sokolowski M.: Technical Mechanics, Vol. IV Elasticity, PWN, Warsaw 1978.
• 19. Machado M., Costa J., Seabra E., Flores P.: The effect of the lubricated revolute joint parameters and hydrodynamic force models on the dynamic response of planar multibody systems, Nonlinear Dyn., 2012, Vol. 69, Issue 1, pp. 635–654.
• 20. Pawlak Z., Urbaniak W., Hagner Derengowska M.: The probable explanation for the low friction of Natural Joints. Cell Biochemistry and Biophysics, 2014, Vol.71, 3, 1615–1621.
• 21. Pawlak Z., Urbaniak W., Gadomski A., Yusuf K.O., Afara I.O., Oloyede A.: The role of lamellate phospholipid bilayers in lubrication of joints. Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2012, Vol. 14, No. 4, pp. 101–106.
• 22. Wierzcholski K.: Joint cartilage lubrication with phospholipids bilayer. Tribologia, 2016, 2(265), pp. 145–157.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).