السائل الريو-مغناطيسي

رسم تخطيطي لسائل مغنطيسي يصلب ويسد أنبوبًا استجابة لحقل مغناطيسي خارجي. (Animated version available.)

ميكانيكا الاستمرارية

الحفاظ على الكتلة الحفاظ على العزم معادلات ناڤييه–ستوكس الميكانيكا الكلاسيكية إجهاد · إنفعال · Tensor ميكانيكا الجوامد صلب· المرونة اللدونة · قانون هوك Rheology · مرونة لزجة ميكانيكا الموائع الموائع · استاتيكا الموائع ديناميكا الموائع · لزوجة · موائع نيوتونية موائع غير نيوتونية شد سطحي العلماء نيوتن · ستوكس · كلود-لوي ناڤييه · كوشي· هوك · غيرهم

السائل الريو مغناطيسي سائل MR ، أو MRF ) هو نوع من سائل ذكي في سائل حامل ، وعادة ما يكون نوعًا من الزيت. عند تعرضه لـ مجال مغناطيسي ، يزيد السائل بشكل كبير من لزوجته الظاهرة ، إلى درجة أن يصبح متماسك لزج و مرن . الأهم من ذلك ، يمكن التحكم في إجهاد السائل عندما يكون في حالته النشطة ("المفعلة") بدقة شديدة عن طريق تغيير شدة المجال المغناطيسي. والنتيجة هي أن قدرة السائل على نقل القوة و التي يمكن التحكم فيها بواسطة مغناطيس كهربائي ، مما يؤدي إلى العديد من تطبيقاته القائمة على التحكم. يمكن العثور على مناقشات مستفيضة حول فيزياء وتطبيقات سوائل MR في كتاب حديث.

يختلف سائل MR عن فيروفلويد الذي يحتوي على جزيئات أصغر. تكون جزيئات السائل MR بشكل أساسي على وحدة ميكرومتر - وهي كثيفة بالنسبة لـ حركة براونيان لإبقائها معلقة (في السائل الناقل منخفض الكثافة). جزيئات الفيروفلويد هي في الأساس جسيمات متناهية الصغر يتم تعليقها بواسطة حركة براونيان وعادة لن تستقر في الظروف العادية. نتيجة لذلك ، لهذين السائلين تطبيقات مختلفة للغاية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 كيفية عمله

يتم تعليق الجزيئات المغناطيسية ، التي عادةً ما تكون ميكرومتر أو نانومتر) على نطاق أو كرات إهليلجية ، داخل زيت الناقل وتوزع بشكل عشوائي في نظام التعليق في الظروف العادية ، على النحو التالي.

عند تطبيق مجال مغناطيسي ، فإن الجسيمات المجهرية (عادة في نطاق 0.1–10 µm ميكرومتر) تحاذي نفسها على طول خطوط التدفق المغناطيسي ، انظر أدناه.

 السلوك المادي

لفهم سلوك سائل MR والتنبؤ به ، من الضروري وضع نموذج رياضي للسائل ، وهي مهمة معقدة قليلاً بسبب خواص المواد المختلفة (مثل إجهاد الخضوع).

كما ذكرنا سابقًا ، تكون السوائل الذكية عالية اللزوجة في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي مطبق ، ولكنها تصبح شبه صلبة مع تطبيق هذا الحقل. في حالة سوائل MR (و ER) ، يفترض السائل فعليًا خصائص مماثلة لمادة صلبة عندما تكون في حالة التنشيط ("on") ، حتى نقطة العائد (ضغط القص) أعلاه عندما يحدث القص). يعتمد إجهاد الخضوع (يشار إليه عمومًا باسم إجهاد العائد الظاهر) على المجال المغناطيسي المطبق على السائل ، ولكنه سيصل إلى الحد الأقصى الذي بعده لا يكون للزيادات في كثافة التدفق المغناطيسي أي تأثير إضافي ، لأن السائل يكون بعد ذلك مشبعاً مغناطيسياً. وبالتالي يمكن اعتبار سلوك سائل MR مشابهًا لـ Bingham پلاستيك ، وهو نموذج مادي تم فحصه جيدًا.

ومع ذلك ، فإن سائل MR لا يتبع بالضبط خصائص پلاستيك Bingham. على سبيل المثال ، تحت ضغط الخضوع (في الحالة المنشَّطة أو "التفعيل") ، يتصرف السائل كمادة لزج مرن ، مع معامل معقد والمعروف أيضًا أنه يعتمد على شدة المجال المغناطيسي. من المعروف أيضًا أن سوائل MR تتعرض لـ ترقق القص ، حيث تتناقص اللزوجة فوق الخضوع مع زيادة معدل القص. علاوة على ذلك ، فإن سلوك سوائل MR عندما تكون في الحالة "عدم تفعيل" هي أيضًا غير نيوتونية وتعتمد على درجة الحرارة ، ومع ذلك فإنها تنحرف قليلاً بما يكفي ليتم اعتبار السائل في النهاية مادة پلاستيكية من نوع Bingham بتحليل بسيط.

وبالتالي يصبح نموذجنا لسلوك MR في وضع القص:

$\tau =\tau _{y}(H)+\eta {\frac {dv}{dz}},\tau >\tau _{y}$

حيث $\tau$ = إجهاد القص ; $\tau _{y}$ = إجهاد الخضوع ; $H$ = شدة المجال المغناطيسي $\eta$ = Newtonian لزوجة; ${\frac {dv}{dz}}$ هو تدرج السرعة في اتجاه z.

 قوة القص

قوة القص المنخفضة كانت السبب الرئيسي لمجموعة محدودة من التطبيقات. في حالة عدم وجود ضغط خارجي ، تصل قوة القص القصوى إلى حوالي 100 kPa. إذا تم ضغط السائل في اتجاه المجال المغناطيسي وكانت قوة الانضغاط 2 MPa ، ترتفع قوة القص إلى 1100 kPa. فإذا تم استبدال الجسيمات المغناطيسية القياسية مع جزيئات مغناطيسية ممتدة ، يتم تحسين قوة القص أيضا.

 ترسيب الجسيمات

تستقر الجسيمات الحديدية خارج التعليق بمرور الوقت بسبب اختلاف الكثافة المتأصلة بين الجسيمات وسائلها الحامل. يعد المعدل والدرجة التي يحدث بها ذلك إحدى السمات الأساسية التي يتم أخذها في الاعتبار في الصناعة عند تنفيذ جهاز MR أو تصميمه. تُستخدم Surfactant عادةً لموازنة هذا التأثير ، ولكن بقدر التشبع المغناطيسي للسوائل ، وبالتالي يتم إجهاد أقصى خضوع في حالة تنشيطه.

 سائل MR مشترك التوتر السطحي

تحتوي سوائل MR غالبًا على توتر سطحي بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر:

• حمض الأوليك
• رباعي ميثيل هيدروكسيد الأمونيوم
• حمض السيتريك
• ليسيثين الصويا

تعمل هذه الفاعلات السطحية على تقليل معدل ترسيب الجسيمات الحديدية ، والتي يعد ارتفاعها سمة غير محبذة لسوائل MR. لن يستقر سائل MR المثالي أبدًا ، ولكن تطوير هذا السائل المثالي أمر غير محتمل تمامًا مثل تطوير آلة الحركة الدائمة وفقًا لفهمنا الحالي لقوانين الفيزياء. عادة ما يتم تحقيق الاستقرار المطول بالسطح باستخدام واحدة من طريقتين: عن طريق إضافة توتر سطحي ، وإضافة الجسيمات النانوية المغناطيسية الكروية. تؤدي إضافة الجسيمات النانوية إلى بقاء الجزيئات الأكبر معلقة لفترة أطول حيث تتداخل الجسيمات النانوية غير المستقرة مع ترسيب الجزيئات الأكبر حجماً على مقياس الميكروميتر بسبب الحركة البراونية. تسمح إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي ميسيلات بالتشكيل حول الجسيمات الحديدية. يحتوي التوتر السطحي على رأس قطبي وذيل غير قطبي (أو العكس) ، يمتز أحدهما على جسيم حديدي ، في حين أن الذيل غير القطبي (أو الرأس القطبي) يلتصق في الوسط الحامل ، وتشكيل ميسيلا معكوسة أو منتظمة ، على التوالي ، حول الجسيم. هذا يزيد من قطر الجسيمات فعالة. تتنافر الستريكات فتمنع التكتل الشديد للجزيئات في حالتها المستقرة ، مما يجعل إعادة خلط السوائل (إعادة تقسيم الجسيمات) يحدث بشكل أسرع بكثير وبأقل جهد. على سبيل المثال ، ستعيد خلط المخمدات المغنطيسية خلال دورة واحدة باستخدام مادة مضافة للسطح ، لكن يكاد يكون من المستحيل إعادة مزجهم بدونها.

على الرغم من أن عوامل التوتر السطحي مفيدة في إطالة معدل الاستقرار في سوائل MR ، فإنها تثبت أيضًا أنها ضارة بالخصائص المغناطيسية للسائل (وتحديداً التشبع المغناطيسي) ، وهي عادةً بارامتر يرغب المستخدمون في تعظيمه لزيادة الحد الأقصى لضغط الخضوع الظاهر. سواء أكانت المادة المضافة المضادة للترسيب قائمة على أساس النانو أو مستندة إلى التوتر السطحي ، فإن إضافتها تقلل من كثافة حزم الجسيمات الحبيبية أثناء حالتها النشطة ، مما يقلل من اللزوجة التي تعمل في الحالة الفعالة/ النشطة ، مما ينتج عنه سائل نشط ذو "ليونة" مع انخفاض واضح للحد الأقصى لضغط الخضوع . في حين أن اللزوجة الموجودة في الحالة ("الصلبة" للسائل المنشط) هي أيضًا مصدر اهتمام رئيسي للعديد من تطبيقات السوائل MR ، فهي خاصية سائلة أساسية لغالبية تطبيقاتها التجارية والصناعية ، وبالتالي يجب النظر فيها عند الأخذ بعين الاعتبار اللزوجة على الحالة المفعلة ، والحد الأقصى لإجهاد الخضوع الظاهر ، ومعدل الاستقرار من سوائل MR.

 أنماط العمل والتطبيقات

يتم استخدام سوائل MR في واحد من ثلاثة أوضاع رئيسية للتشغيل ، وهي وضع التدفق ووضع القص ووضع تدفق الضغط. تتضمن هذه الأوضاع ، على التوالي ، تدفق السوائل نتيجة لتدرج الضغط بين لوحين ثابتين ؛ السائل بين صفيحتين تتحرك نسبة إلى بعضها البعض ؛ والسائل بين صفيحتين تتحرك في الاتجاه العمودي على سطحهما. في جميع الحالات ، يكون المجال المغنطيسي عموديًا على مستويات الألواح ، وذلك لتقييد السائل في الاتجاه الموازي للألواح.

 نمط التدفق

 نمط القص

 نمط تدفق الضغط

تطبيقات هذه الأوضاع المختلفة عديدة. يمكن استخدام وضع التدفق في مخمدات الصدمات وامتصاص الصدمات ، وذلك باستخدام الحركة التي يتم التحكم فيها لإجبار السائل من خلال القنوات ، التي يتم عبرها استخدام مجال مغناطيسي. يعتبر وضع القص مفيدًا بشكل خاص في قوابض الفرامل والمكابح - في الأماكن التي يجب فيها التحكم في الحركة الدورانية. من ناحية أخرى ، يعد وضع تدفق الضغط أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتحكم في حركات ترتيب المليمتر الصغيرة ولكن مع وجود قوى كبيرة. شهد وضع التدفق الخاص هذا أقل تنفيذاً حتى الآن. بشكل عام ، بين أوضاع التشغيل الثلاثة هذه ، يمكن تطبيق سوائل MR بنجاح على مجموعة واسعة من التطبيقات. ومع ذلك ، توجد بعض القيود التي يجب ذكرها هنا.

 الحدود

على الرغم من أن السوائل الذكية ينظر إليها حقاً على أنها تحتوي على العديد من التطبيقات المحتملة ، إلا أنها محدودة الجدوى التجارية للأسباب التالية:

• الكثافة العالية ، بسبب وجود الحديد ، تجعلها ثقيلة. ومع ذلك ، فإن أحجام التشغيل صغيرة ، لذلك فهذه مشكلة ، لا يمكن التغلب عليها.
• السوائل عالية الجودة غالية الثمن.
• تتعرض السوائل للتكيف بعد الاستخدام المطول وتحتاج إلى استبدال.
• يمكن أن يكون ترسيب الجزيئات الحديدية مشكلة لبعض التطبيقات.

التطبيقات التجارية موجودة ، كما ذُكر أعلاه ، لكنها ستظل قليلة إلى أن يتم التغلب على هذه المشاكل (خاصة التكلفة).

 التقدم في 2000s

أظهرت الدراسات التي نُشرت في أواخر عام 2000 والتي تستكشف تأثير تباين نسبة العرض إلى الارتفاع للجزيئات المغناطيسية العديد من التحسينات على سوائل الرنين المغناطيسي التقليدية. لا تظهر السوائل المستندة إلى أسلاك متناهية الصغر أي ترسبات بعد الملاحظة النوعية على مدى ثلاثة أشهر. تُعزى هذه الملاحظة إلى انخفاض كثافة التعبئة بسبب انخفاض تناسق الأسلاك مقارنة بالكرات ، فضلاً عن الطبيعة الداعمة هيكلياً لشبكة أسلاك متناهية الصغر يتم تجميعها معًا بواسطة بقايا المغنطة. علاوة على ذلك ، فإنها تظهر مجموعة مختلفة من تحميل الجزيئات (تقاس عادةً في جزء من الحجم أو الوزن) من السوائل التقليدية المستندة إلى الكرة أو الإهليلجي. تظهر السوائل التجارية التقليدية تحميلًا نموذجيًا يتراوح من 30 إلى 90٪ بالوزن ، بينما تظهر السوائل المستندة إلى أسلاك متناهية الصغر عتبة الترشيح من 0.5٪ بالوزن (حسب نسبة العرض إلى الارتفاع). تظهر أيضًا حدًا أقصى للتحميل يصل إلى 35٪ بالوزن تقريبًا ، نظرًا لأن جزيئات نسبة الارتفاع إلى الجانب تظهر حجمًا أكبر لكل جسيم مستبعد بالإضافة إلى التشابك بين الجسيمات أثناء محاولتها تدوير الطرف الآخر ، مما يؤدي إلى حد مفروض من قِبل أعلى حالة عدم تشغيل - للزوجة الواضحة للسوائل. تشير هذه المجموعة من التحميلات إلى أن مجموعة جديدة من التطبيقات ممكنة والتي ربما لم تكن ممكنة مع السوائل التقليدية القائمة على الشكل الكروي.

ركزت الدراسات الحديثة على السوائل المغنطيسية ثنائية الشكل ، وهي سوائل تقليدية قائمة على المجال الكروي حيث يتم استبدال جزء بسيط من المجالات ، عادة ما يكون 2 إلى 8٪ بالوزن ، بأسلاك متناهية الصغر. تظهر هذه السوائل بمعدل ترسبات أقل بكثير من السوائل التقليدية ، ومع ذلك تظهر مجموعة مماثلة من التحميل مثل السوائل التجارية التقليدية ، مما يجعلها مفيدة أيضًا في التطبيقات عالية القوة مثل التخميد. علاوة على ذلك ، فقد أظهرت أيضًا تحسنًا في إجهاد الخضوع الظاهري بنسبة 10٪ عبر تلك الكميات من استبدال الجسيمات.

هناك طريقة أخرى لزيادة أداء السوائل المغنطيسية وهي تطبيق الضغط عليها. على وجه الخصوص ، يمكن زيادة الخصائص في مدة قوة الخضوع حتى عشرة أضعاف في وضع القص وحتى خمس مرات في وضع التدفق. الدافع وراء هذا السلوك هو زيادة احتكاك الجسيمات المغناطيسية ، كما هو موصوف في النموذج المغنطيسي شبه التجريبي بواسطة ژانگ و آخرون. على الرغم من أن الضغط يؤدي إلى تحسن كبير في سلوك السوائل المغناطيسية ، إلا أنه يجب إيلاء اهتمام خاص من حيث المقاومة الميكانيكية والتوافق الكيميائي لنظام الختم المستخدم.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التطبيقات

تطبيقات مجموعة سوائل MR واسعة ، وتتوسع مع كل تقدم في ديناميات السائل.

 الهندسة الميكانيكية

تم تطوير المخمدات الريو مغناطيسية للعديد من التطبيقات ولا تزال قيد التطوير. تستخدم هذه المخمدات بشكل أساسي في الصناعات الثقيلة مع تطبيقات مثل تخميد المحركات الثقيلة ، وتخميد مقعد المشغل / الكابينة في مركبات البناء ، وأكثر من ذلك.

اعتبارًا من عام 2006 ، يتعاون علماء المواد والمهندسون الميكانيكيون في تطوير مخمدات زلزالية مستقلة والتي ، عند وضعها في أي مكان داخل المبنى ، ستعمل داخل تردد رنين المبنى ، وتمتص ضرر صدمة الأمواج و التذبذبات داخل الهيكل ، مما يمنح هذه المخمدات القدرة على صنع أي مبنى ثابت ضد الزلازل ، أو على الأقل مقاوم للزلازل.

 العسكرية والدفاع

يقوم مكتب أبحاث الجيش الأمريكي في الوقت الحالي بتمويل الأبحاث حول استخدام سائل MR لتعزيز الدروع الواقية للبدن. في عام 2003 ، صرح الباحثون بأنهم على بعد خمس إلى عشر سنوات من صنع مقاومات الرصاص السائلةt. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم HMMWVs ومركبات أخرى متعددة التضاريس جميعها ممتصات الصدمات و / أو المثبطات الديناميكية.

 البصريات

التلميع الريو مغناطيسي, طريقة التلميع البصري المغناطيسي القائمة على سوائل MR، وقد ثبت أن تكون هذه العملية دقيقة للغاية. حيث تم استخدامها في بناء العدسة التصحيحية لتلسكوب هبل الفضائي.

 السيارات

إذا كان امتصاص الصدمات في تعليق المركبة) ممتلئًا بسائل مغنطيسي بدلاً من زيت أو غاز عادي ، والقنوات التي تسمح بتدفق مائع التخميد بين حجرتين و محاطاً بـ مغناطيس كهربائي ، ولزوجة المائع ، وبالتالي التردد الحرج لـ المثبط ، يمكن أن يختلف تبعًا لتفضيل السائق أو الوزن الذي تحمله المركبة - أو قد تكون متنوعة بشكل ديناميكي من أجل توفير التحكم في الاستقرار عبر ظروف الطريق المختلفة إلى حد كبير. هذا هو في الواقع المثبط المغنطيسي. على سبيل المثال ، يتيح نظام MagneRide التعليق النشط تعديل عامل التخميد مرة واحدة كل ميلي ثانية استجابة للظروف. طورت General Motors (في شراكة مع Delphi Corporation) هذه التقنية لتطبيقات السيارات. حيث ظهرت لأول مرة في كل من كاديلاك (تاريخ بناء إشبيلية STS بتاريخ أو بعد 1/15/2002 مع RPO F55) باسم "Magneride" (أو "MR") ومركبات الركاب من شيڤروليه (جميع كورڤيت) صنعت منذ 2003 مع رمز الخيار F55) كجزء من نظام "نظام التحكم المغناطيسي الانتقائي في القيادة (MSRC)" المختار للسائق في طراز عام 2003. و دفعت الشركات المصنعة الأخرى مقابل استخدامه في سياراتهم ، على سبيل المثال تقدم كل من Audi و Ferrari MagneRide على نماذجها المختلفة.

تسعى جنرال موتورز وشركات السيارات الأخرى إلى تطوير نظام القابض الريو المغناطيسي القائم على السوائل لتشغيل أنظمة الدفع الرباعي . سوف يستخدم نظام القابض هذا مغناطيس كهربائي لتصلب السائل الذي سيغلق مقبض التحكم في مجموعة القيادة.

أدخلت بورشه تصاعد المحرك المغنطيسي في بورشه طراز GT3 و GT2 2010. في الدوران العالي للمحرك ، تصبح دعامات المحرك المغناطيسي أكثر صلابة لتوفير شعور أكثر دقة لعلبة التروس عن طريق تقليل الحركة النسبية بين مجموعة الحركة والشاسيه / الهيكل.

اعتبارًا من سبتمبر 2007 ، بدأت Acura (هوندا) في حملة إعلانية تسلط الضوء على استخدامها لتقنية MR في سيارات الركاب المصنعة لعام 2007 MDX model.

 الفضاء

يتم تطوير مخمدات ريو المغناطيسية لاستخدامها في مقاعد قمرة القيادة العسكرية والتجارية ، كأجهزة أمان في حالة حدوث تصادم. سيتم استخدامها لتقليل الصدمة التي تصل إلى العمود الفقري للراكب ، وبالتالي تقليل معدل الإصابة الدائمة أثناء الاصطدام.

 زراعة الأعضاء البشرية

المخمدات الريو مغناطيسية تستخدم في الساقين الاصطناعية شبه النشطة الإنسان. مثلها مثل تلك المستخدمة في طائرات الهليكوبتر العسكرية والتجارية ، فإن المثبط في الساق الصناعية يقلل من الصدمة التي لحقت بساق المرضى عند القفز ، على سبيل المثال. وهذا يؤدي إلى زيادة الحركة و الرشاقة للمريض.

 انظر أيضاً

• سائل ذكي
• Ferrofluid
• Electrorheological fluid
• الريولوجيا
• Rheometry

 المصادر

 المراجع

• R. Tao, Editor (2011). Electro-Rheological Fluids And Magneto-Rheological Suspensions: Proceedings of the 12th International Conference. World Scientific. ISBN 978-9814340229.
• Chunlin Miao, et al., "Magnetorheological fluid template for basic studies of mechanical-chemical effects during polishing," Proceedings of SPIE, Vol. 6671 pp. 667110 (2007) , abstract and full text (pdf)
• Stanway, R – Smart Fluids: Current and Future Developments. Materials Science and Technology, 20, pp931–939, 2004
• Jolly, M R; Bender, J W and Carlson D J – Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids. SPIE 5th Annual Int Symposium on Smart Structures and Materials, 1998.

 وصلات خارجية

• Some freely-accessible MRF articles
• Experimenting with magnetorheological fluids - Preparation instructions
• Howstuffworks.com liquid body armor
• Howstuffworks.com smart structures

{{DEFAULTSORT:سائل ريو-مغناطيسي]]