Вибрация... В научно-технических дисциплинах, она, зачастую, рассматривается как негативное явление, так как разрушает механизмы и аппараты.
Однако, не всегда это верно, и существует даже такая научная дисциплина, как «теория колебаний», изыскивающая способы использования этих колебаний, полезным для человека образом.
И, благодаря ей, человечество имеет достаточно богатый инструментарий работы с колебаниями, в частности, с вибрацией...
Все мы знаем, что вибрация широко используется в технике: разнообразное смешивание, фильтрация, обработка материалов — виброшлифовальные машины, виброплиты для асфальта, ультразвуковая резка (даже кухонные ультразвуковые ножи, резка дисковыми ультразвуковыми ножами тканей при раскрое) и плавка материалов (например, приплавка ультразвуком лямок для медицинских масок: лямка прижимается к маске, и высокочастотные колебания частично оплавляют материал из-за трения) и т.д.), однако, всё равно, за пределами большинства исследований остаётся обычно такой интересный вопрос, который имеет прямое отношение к робототехническим системам — «вибротранспорт» — в узком смысле, или «вибротранспортировка», в широком.
Но, для начала, выясним для себя, а что же такое вибрация, как её определяет теория колебаний?
«Вибрация», происходит от латинского слова «Vibration» (колебание, дрожание) и под ним понимается некоторое циклическое смещение физической точки (или, объекта, в общем смысле) в пространстве, где эти колебания могут быть вызваны как внутренними источниками, так и внешней инициацией.
В рамках данного рассмотрения, так как мы концентрируемся сугубо на аспекте полезного использования вибрации в целях перемещения объектов, следует сказать, хотя бы пару слов, о сути физического взаимодействия вибрирующих объектов между собой — как правило, один из них, мы условно назовём «поверхность», а второй — «перемещаемый объект».
Итак, что же происходит, на микроуровне, когда взаимодействуют между собой, вибрирующие поверхности?
Вот в этой теме, мы разбирали суть трения (ну, или взаимодействия поверхностей, если хотите) как такового.
Для простоты изучения вопроса, предположим, что у нас взаимодействуют между собой поверхности, с кристаллической решеткой.
И, мы там узнали, что, по большому счёту, если сильно утрировать, то такие взаимодействующие поверхности представляют собой поверхности «из шариков» — то есть, из атомов, разного размера.
Размер определяется тем, сколько оболочек имеет конкретный атом.
Таким образом, грубо говоря, получается, что если одна поверхность хочет сместиться относительно другой, то это будет выглядеть, как «подъём на верхушки шариков, и падение в ложбинки между ними», после чего, цикл п��вторяется.
Логично было бы предположить, что, чем меньше шарики в размерах, тем легче и поверхностям двигаться относительно друг друга!
И это действительно так! Мало того: смазка (когда она применяется), то, по сути, выступает как раз своеобразным «засыпателем ям» между шарами, выравнивая поверхность, благодаря чему облегчается и скольжение!*
*Там процесс в действительности несколько сложнее, но, утрированно, можно сказать примерно так.
Кстати, любопытный момент: именно это и объясняет явление «трения покоя» — то есть, почему, собственно говоря, один кусок металла, лежащий на другом, не соскальзывает с него, а лежит неподвижно — просто-напросто, произошло сцепление «ям и ложбинок» (там ещё и неоднородности кристаллической решётки играют некоторую роль, но не будем сейчас лезть в эти дебри).
В какой-то степени, это объясняет, и почему ваш ноутбук не соскальзывает со стола, когда просто лежит на нём:-))
Правда в этом случае, картина будет несколько сложнее, так как взаимодействуют между собой не две кристаллические решётки, а поверхности со сложными молекулами, но, тем не менее, на атомарном уровне будет примерно то же самое, только более хаотичное, не настолько выстроенное, как кристаллическая решётка...
А теперь, предположим следующее: если, в обычном состоянии, поверхности перемещаются относительно друг друга, «падая в ложбинки и поднимаясь на верхушки» — то, можно ли сделать так, чтобы поверхности просто не успевали падать в ложбинки друг друга?!
Думаю, вы начинаете догадываться, каким образом это можно осуществить — вибрация! :-)
Другими словами, если амплитуда смещений при вибрации будет достаточно большой, чтобы «перебросить шарики с одних макушек, на другие» (условно; просто, хотя бы, чтобы падение было «не до конца») — то, сила трения кардинально уменьшится!
В зависимости от частоты и амплитуды вибраций, снижение силы трения может доходить вплоть до 90% и более!!!
Как логично можно было бы предположить, зависит частота и амплитуда от размеров атомов, каждых конкретных взаимодействующих веществ.
Но, в целом, можно сказать, что это достаточно сложный вопрос, изучаемый целой области науки — трибологией.
Приём подобного снижения силы тр��ния очень часто используется в технике, нося там разные названия: «вибрационное снижение силы трения», «кипящий слой», «ожижение контакта» и т.д и т.п.
Теперь, когда мы немножко изучили, как происходит взаимодействие поверхностей объектов на микроуровне, вернёмся к нашей изначальной задаче: а как движутся объекты, по умолчанию, вибрационно взаимодействующие друг с другом?
Ответ на этот вопрос нам весьма наглядно дают, так называемые «фигуры Хладни», обнаруженные ещё в 1787 году, — где сыпучие частицы материала, например, песка (если они достаточно велики), собирались в узловых точках (где амплитуда колебаний равна нулю), отбрасываясь из зон, с максимальной амплитудой колебаний:
Таким образом, фигуры Хладни наглядно демонстрируют, что происходит отбрасывание из зон с максимальной амплитудой, в зоны с минимальной амплитудой, где, эти зоны могут перемещаться в пространстве, в зависимости от частоты.
Если же частота не меняется, то зоны остаются стабильными в своём расположении в пространстве, то есть, наблюдаются стоячие волны.
А теперь, Эврика! :-)
Если мы посмотрим на видео выше (см. с 0:45 и 0:50), то, мы там увидим, что, в зависимости от частоты, стоячие волны фигур Хладни могут располагаться, как минимум вертикально и горизонта��ьно — а если мы посмотрим на картинку выше, с классическими фигурами, то, мы увидим, что там существуют и промежуточные варианты, развёрнутые на 45°.
При этом, отметим для себя, что экспериментаторы, пытаясь повторить классический эксперимент и, показать фигуры Хладни, не ипользуют в полной мере все возможности этого процесса!
А именно — фазовый сдвиг:
Другими словами, можно:
выставить положение колебаний (вертикальное, горизонтальное наклонное, некие промежуточные варианты) — с помощью изменения частоты;
генерировать частоту таким образом, чтобы постоянно фаза «бежала», смещаясь в пространстве!
Что из этого следует? Самый простой робототехнический движитель!
«Гусеница танка — без гусеницы танка»!
То есть, всего лишь играясь с частотой, величиной амплитуды и фазой можно сделать так, чтобы:
сила трения между нижней поверхностью робота и поверхностью-опорой была минимальной;
робот перемещался в любом направлении по XY.
Такой подход не является умозрительной концепцией, и частенько используется в лабораториях, для точного позиционирования объектов.
При этом, в качестве «робота» может выступать как сама нижняя поверхность, так и перемещающийся по ней объект.
Тем не менее, зачастую, используют похожий принцип, где, объект перемещается не напрямую, а с помощью пьезоэлектрической каретки.
Например (это всего лишь одна из возможных реализаций, вариантов может быть множество):
При этом, на подобном принципе создают вполне работающие моторы, так называемые «ультразвуковые двигатели», с очень большим крутящим моментом, не требующие каких-либо редукторов, и позволяющие перемещать образец с микрометрической точностью:
Но, может применяться и непосредственно тот самый принцип, вибрационного движения с помощью бегущей волны — например, он широко используется в промышленных транспортерах сыпучих субстанций:
Занятно, что подобный принцип бегущей волны позволяет перемещать объекты, не только по горизонтальной поверхности, но и вверх, по наклонному транспортёру, где, как мы уже понимаем, в определённые моменты, на перемещаемый объект действует сила трения покоя, а в определённые моменты, сила трения уменьшается и, бегущая волна уносит его вверх:
Напоследок, следует сказать, что подобные вибрационные роботы, были в своё время широко распространены в книгах самоделок для детей, советского периода, назывались они тогда примерно «робот-виброход» или, просто «виброход» и делались обычно из какой-либо щётки, на которой устанавливался электродвигатель с эксцентриком на валу, а также система его питания. Как альтернатива, можно было установить два электродвигателя с двумя эксцентриками.
В качестве же самой щётки, годилось всё — от зубных щёток:
До щёток для обуви:
Да, это было много проще, чем можно собрать сейчас:-)
Тем не менее, как мы видим, в наше время, есть интересная возможность собрать робота с вибрационным движителем, использующим бегущую волну.
При этом, подобное устройство может быть использовано не только для проведения досуга, но и, как мы видим, во вполне практических целях — например, используя пьезо- привод, можно попробовать собрать как линейный, так и вращающийся двигатель, а использование 3D печати (для изготовления компонентов) делает эту задачу вполне реальной.
Например, можно сделать себе вибрационный столик, с точным позиционированием — для своего микроскопа, например, который вы используете для пайки или починки электроники.
Впрочем, это будет полезно и для любого микроскопа...
В любом случае, какой бы способ реализации привода вы не выбрали — думается, что, собирая под��бное устройство, можно провести немало приятных минут, решая конкретную инженерную задачу, со вполне конкретной практической пользой...;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
