Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

The theoretical description of friction force in bio-joints as function of cartilage roughness.

Chizhik S.A., Wierzcholski K., Miszczak A.

Zagadnienia Eksploatacji Maszyn

|

2006

|

Vol. 41, nr 2

29-39

EN

This paper show numerical calculations of the friction forces and friction coefficients in spherical coordinates for hydrodynamic unsymmetrical synovial non-Newtonian fluid flow with variable viscosity and for random changes of human hip joint gap. The numerical calculations are performed with the use of Mathcad 12 Proffesional Program, by taking into account the Method of Finite Differences. This method ensures stability of numerical solutions of partial differential equations in particular values of friction forces occuring in human joints. Friction forces are calculated for steady and unsteady lubrication. The bone head in human hip joint moves simultaneously not only in one direction. Therefore for each motion the friction forces are calculated in two directions. The friction forces in human joint depend on: synovial fluid velocity, pressure, temperature, load. The analytical derivation of friction forces for human hip joint facilitates and helps performing the further numerical analysis of changes and corrections caused by the pressure, velocities field influencing friction coefficient in real hip joint. Measurements of a roughness of micro- and nano- levels were carried out by atomic force microscopy on large (more then 2 micrometres) and small (30 micrometres) areas of scan accordingly. The parameters of a roughness were analyzed on the based of 3D images of cartilage surfaces. Average parameters of height and angles of asperities slop were defined. Also anisotropy of a surface and parameters of a roughness in main directions of anisotropy was determined. Influence of a roughness of a cartilage on force of friction in a joint depending on a direction of friction was estimated. Also influences of a roughness of a surface in a normal and pathological condition are estimated. It is shown, that the roughness increases lead to the decreases of thickness of a layer of a lubricant liquid in a human joint.

PL

Wartości sił tarcia w naturalnych stawach człowieka a szczególnie w endoprotezach stawu biodrowego rzutują na proces zużywania się powierzchni stawowych. Dlatego problem wyznaczania sił tarcia w biołożyskach jest bardzo istotny. W trakcie chodzenia mamy co najmniej ruch sferycznej powierzchni głowy w dwóch różnych kierunkach dla naturalnych i sztucznych stawów biodrowych człowieka. Dlatego też siły tarcia występują co najmniej w dwóch kierunkach. Na ogół nie zachodzi superpozycja wartości sił tarcia wywołanych ruchem obrotowym sferycznej głowy kostnej w dwóch różnych kierunkach. Autorzy zwracają uwagę na różne wartości sił tarcia w trakcie hydrodynamicznego smarowania stawów człowieka poprzez ruch obrotowy, wyciskanie, wzmożone wyciskanie oraz przesączanie cieczy synowialnej do porów chrząstki stawowej. Siły tarcia zależą od prędkości kątowej, od ciśnienia hydrodynamicznego oraz od pola indukcji magnetycznej, jeżeli staw poddany jest magnetoterapii. W przypadku gdy uwzględniamy wpływ zmiennej wartości lepkości cieczy synowialnej wywołanej jej nie-newtonowskimi właściwościami oraz w przypadku gdy uwzględniamy niestacjonarne warunki pracy biołożyska, to wtedy uzyskujemy dodatkowe korekty wartości sił nośnych wywołanych prędkościami kątowymi, ciśnieniem i polem magnetycznym. Badania wykazują, że mamy również do czynienia z pewnymi wartościami sił tarcia wywołanych jednoczesnym wpływem ciśnienia hydrodynamicznego i prędkościami kątowymi ciśnienia hydrodynamicznego, pola indukcji magnetycznej, prędkości kątowej oraz pola indukcji magnetycznej.

2

The influence of roughness and geometrical structure of tissue surface on friction forces during the tissue cultivation in bioreactor

Miszczak A., Wierzcholski K., Chizhik S.A.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

99-112

EN

The flow parameters of nutrient fluid such as flow direction, shear rate, friction forces on the thin boundary layer near the superficial layer of cultivated sample depend on its roughness and geometrical structure. The inequalities with depth about some microns have important meaning during the flow around the tissue surface during the procedures connected with cultivation in bioreactor. Thus follows absolute necessity of measurements of surface inequalities of cultivated cartilages with exactness in nano-level. The main research problem containing in this paper refer to the above problem. Very oft random effect of the roughness distribution on the tissue sample in bioreactor leads to the non controlled growth of the tissue cells. Therefore is needed the general control algorithm of the influence of working parameters and properties of artificial and articular cultivated tissue on the tissue growth process. In this paper are presented same trials of viscosity measurements of liquid in static and dynamic conditions; thickness of the artificial boundary layer determinations, roughness of the tissue sample illustrations, the methods of friction forces calculations. In a basis of the control algorithms here will be possible to apply various methodologies of scanning probe microscopy. More effective is shear force microscopy mode.

PL

Najnowsze trendy naukowe w Unii Europejskiej i w USA w zakresie biotribologii idą w kierunku uwzględnienia zmian chropowatości zewnętrznej powierzchni tkanki w trakcie procesu hodowli w bioreaktorze. W mikrokontenerach bioreaktora hodowana tkanka jest permanentnie zraszana i polewana mediami o odżywczych oraz terapeutycznych właściwościach nienewtonowskich, gdzie często są to ciecze z odpowiednimi dodatkami lepkosprężystymi, wywołującymi pożądany wzrost tkanki. W bezpośredniej bliskości tkanki w warstewce granicznej o grubości od 0,01 do 0,10 mikrometrów mamy do czynienia z przepływem lepkim w cienkiej warstewce przyściennej. Składowe mikroprędkości tego przepływu nienewtonowskiej cieczy zależą nie tylko od wydatku objętościowego pompy zraszającej łóżeczko bioreaktora, lecz przede wszystkim od chropowatości zewnętrznej powierzchni tkanki. Tak powstałe pole małych prędkości zmieniające się w sposób istotny oraz zależne od ukształtowania występów chropowatości powierzchni zewnętrznej tkanki nie miałoby znaczenia, gdyby nie zasadnicze zmiany wartości sił tarcia powstające na powierzchni tkanki w trakcie przepływu. Te siły tarcia o małych wartościach rzędu poniżej 1 mN, lecz o dużych zmianach zależnych od chropowatości powierzchni tkanki kształtują w sposób znaczący hodowlę tkanki. Pomiar tak małych sił tarcia przy obecnych warunkach technicznych w trakcie ciągłego wzrostu tkanki jest prawie niemożliwy. Dlatego prace analityczno-numeryczne w tym zakresie mają duże znaczenie poznawcze. Przedstawiony obszar badań zarówno w zakresie numerycznym, jak i doświadczalnym stanowi nową dziedzinę w zakresie nanotribologii, którą można nazwać histotribologią, a nawet cytotribologią. Przedstawione w pracy wyniki badań doświadczalnych pomierzone zostały za pomocą mikroskopu sił atomowych. Wyniki uzyskane zostały w Instytucie Przepływu Masy i Ciepła Białoruskiej Akademii Nauk w Mińsku w ramach projektu Europejskiego Transfer of Knowledge we współpracy z prof. S. Chizhikiem.

3

Study of surface films at friction of self-lubricating polimer-based composite materials

Karapetyan A.N., Hovhannisyan K.V., Chizhik S.A.

Tribologia

|

2006

|

nr 3

77-85

EN

The surface films formed on counterface at friction of heterochain polymer-based self-lubricating composite materials filled with the traditional and modified Armenian mineral fillers such as travertine, marble, bentonite, tuff are investigated. It is shown, that at the steady state friction of modified with fluoroalcon composites the adhesion strength of the films is by a factor 1.2...1.5 more than for initial materials.

PL

Zbadano warstwy powierzchniowe tworzące się przy tarciu na powierzchni samosmarownych materiałów kompozytowych na bazie polimerów wypełnionych tradycyjnymi i zmodyfikowanymi mineralnymi napełniaczami, takimi jak trawertyn, marmur, betonit, tuf. Wykazano, że w stanie stałego tarcia kompozytu zmodyfikowanego kompozytem fluoroalkonu siła adhezji powłoki jest większa o czynnik 1,2...1,5 w porównaniu z materiałami początkowymi.

4

Micro- and nano-level of bio-joint lubrication

Wierzcholski K., Chizhik S.A.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

167-179

EN

This paper presents the view of many bio-joints lubrication problems in the micro- and nano- level scale. Hydrodynamic lubrication by rotation, weeping and boosted squeezing hydrodynamic lubrication of human joints is taken into account. The geometry of soft human joint surfaces distribution and its deformations must be formulated in nano- level. The solution of very important problems occurring in the field of the human joint lubrication is not possible without micro and nano- level description of geometrical structure of two cooperating cartilage surfaces. Therefore this problem is exactly determined in this paper. The analytical, and experimental research methods are taken into account. Micro- and nano-levels of problems are performed with the help of atomic force microscopy. Moreover presented paper shows the aspects of proper, suitable viscosity of synovial fluid and friction forces control to make butter possible the human joints lubrication process. Viscosity of synovial fluid and friction forces, and parameters of elasticity and hyper-elasticity module of human joint cartilage are the main parameters during the human joint lubrication. Elasticity modulus of superficial layer of cartilage has influence on the value of dynamic viscosity of synovial fluid. Moreover the synovial fluid has non-Newtonian properties. Apparent viscosity depends on share rate during the human joint lubrication.

PL

Smarowanie stawów człowieka koncentruje się w głównej mierze na tarciu granicznym oraz na tarciu mieszanym w cienkiej warstwie cieczy synowialnej, zalegającej pomiędzy łatwo odkształcalnymi powierzchniami miękkiej chrząstki stawowej, na której wysokości chropowatości zmieniają się z czasem trwania procesu smarowania. Wartości sił tarcia granicznego ulegają zmianie w przypadku zmian wysokości nierówności dochodzących do dziesiątych, nawet setnych części mikrometra. W przypadku tarcia granicznego dla powierzchni stawów, istotne są nie tylko depresje oraz największe wartości chropowatości powierzchni, ale również kształt geometryczny struktury powierzchni pomiędzy tymi miejscami. Tak więc rzeczywisty stan smarowania powierzchni stawowych uzyskamy tylko w tym przypadku, jeżeli wyznaczymy strukturę geometryczną powierzchni chrząstki stawowej w mikro-, a nawet w nano-skali. Niezbędnym warunkiem opisu rzeczywistego stanu smarowania stawu jest również opracowanie mechanizmu dużych deformacji miękkiej i łatwo odkształcalnej chrząstki stawowej w trakcie trwania smarowania. W tym czasie ma również miejsce wnikanie cieczy synowialnej do porów chrząstki stawowej. Zmiany wysokości powierzchni a także kształt tych zmian pozwoli opracować numerycznie rzeczywisty kształt szczeliny stawu, a następnie wyznaczyć rzeczywiste wartości ciśnienia hydrodynamicznego, a także wartości sił tarcia występujące w stawach.

5

A new concept of measuring the friction forces for cartilage and polymers with viscoelastic properties

Chizhik S. A., Ghaemi H. M.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

37-48

EN

This paper presents a new method for measuring the low magnitude friction forces in biojoints and polymers. It provides a basis for facilitating the control of friction and viscoelastic properties of biomaterials, especially for tissue cultivation process in bioreactors. This method is based on forced vibration of a two-ball actuator and sensor which are directed parallel to the sample surface. A tuning piezoelectric fork device is introduced for exciting the system, when simultaneously it is used as a sensor. Variation of vibration parameters are induced through energy dissipation of indentor system which has the same friction force and viscoelastic behaviour as the sample. In this regard, the mathematical model of excited oscillations including variation of generated friction forces and viscolelastic characteristics is presented.

PL

Referat przedstawia nową koncepcję dotyczącą pomiaru małych sił tarcia oraz właściwości materiałów lepko-sprężystych. Zaprezentowano: ogólny zarys metody pomiaru, wskazania dotyczące projektowania i budowy urządzenia pomiarowego, model matematyczny oraz sposób identyfikacji parametrów modelu. Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku analizy właściwości materiałowej polimerów oraz tkanki chrząstki stawowej człowieka zarówno in vitro, jak i podczas hodowania w bioreaktorach.

6

Estimation of Young's modulus and adhesive force of polymeric films by use of atomic force microscope

Balabanava N., Rymuza Z., Chizhik S. A.

Metrology and Measurement Systems

|

2006

|

Vol. 13, nr 3

253-262

EN

Nowadays a big interest exists in microengineering forces to study and test microsystems and their components. There exist a lot of methods and tools to perform this kind of investigations. Most of them need good skills, a lot of time and expensive equipment. We would like to present a simple and quick method to determine such material properties as Young's modulus and adhesive (pull-off) force of thin films applied on e.g. working surfaces of microgrippers.

PL

W pracy opisano metodę wyznaczania modułu Younga i siły adhezji warstw polimerowych przy użyciu mikroskopu sił atomowych (AFM). Wartości te oblicza się korzystając z krzywych siła - przemieszczenie wyznaczonych przy użyciu AFM. Przedstawiono wyniki badań ośmiu warstw polimerowych silikonowych nałożonych na podłoże krzemowe. Zbadano także wpływ temperatury na moduł Younga i siłę adhezji. Z badań wynika, że siła adhezji zależy od materiału polimerowego i warunków otoczenia. Umożliwia to zmienianie tej siły np. w procesach chwytania i uwalniania mikroelementów przy użyciu mikrochwytaków stosowanych w mikrotechnice do manipulacji lub montażu. Badane warstwy polimerowe mogą być interesujące w zastosowaniu na powierzchnie robocze takich mikrochwytaków.

7

Effect of adhesion on contact of viscoelastic layers

Balabanava N. V., Chizhik S. A., Rymuza Z.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2004

|

Vol. 45, nr 8-9

202-203

EN

The effect of adhesion in contact of viscoelastic bodies is discussed. The contact of rigid sphere with viscoelastic layer is considered and the mathematical description of process viscoelastic deformation was described by the Maxwell model and Radoc approach to calculate the contact parameters in the case of viscoelasticity. The creep leads to the fact that the maximum contact radius always appears latter after the maximum load is applied. The influence of adhesion leads to increasing of contact radius and to insignificant growth of time appearing it maximum. The maximum of contact radius and the time of it's appearance grow with increasing of contact time and decreasing of relaxation time. Contact radius in viscoelastic case is always greater than in elastic case. Presence of adhesion leads to the increasing of contact radius and insignificant change of time appearing for its maximum value.

PL

Przeanalizowano wpływ adhezji na kontakt warstw lepkosprężystych. Wykorzystano model Maxwella i Radoca. Stwierdzono, że pełzanie materiału opóźnia proces uzyskania maksymalnej adhezji w styku. Czas uzyskania maksymalnego wymiaru styku i rozmiar obszaru kontaktu są odwrotnie proporcjonalne do czasu relaksacji materiału lepkosprężystego. Obszar kontaktu w takim styku jest większy niż przy kontakcie sprężystym. Adhezja powoduje głównie zwiększenie obszaru styku, zaś w mniejszym stopniu wpływa na czas potrzebny do uzyskania jego maksymalnego rozmiaru.