ИСТИНА

Новые принципы создания движения на основе намагничивающихся композитов требуют исследования поведения в магнитных полях тел из намагничивающихся композитов и свойств этих композитов. В данном проекте предполагается: 1) экспериментально и обнаружить мультистабильность равновесных форм длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера (три устойчивых положений равновесия) в неоднородном магнитном поле; 2) создать установку для исследования упругих свойств намагничивающегося эластомера в однородном магнитном поле; 3) изучить зависимость коэффициентов упругости в модели Муни - Ривлина намагничивающегося эластомера от величины и направления магнитного поля; 4) теоретически изучить деформацию длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле с учетом зависимости коэффициентов упругости от величины магнитного поля и описать, наблюдаемую в эксперименте мультистабильность; 5) создать установку для исследования вязкоупругих свойств намагничивающихся эластомеров в однородном магнитном поле; 6) исследовать влияние величины магнитного поля на коэффициенты упругости и вязкости; 7) модернизировать установку, создающую переменное во времени магнитное поле; 8) экспериментально исследовать движение тел разной формы из намагничивающегося эластомера в переменном магнитном поле; 9) построить математическую модель движения тела из намагничивающегося эластомера в переменном магнитном поле, исследовать влияние параметров задачи на скорость движения тела. Результаты исследования позволят сконструировать прототипы автономных движителей и других устройств на основе намагничивающихся полимеров, которые можно использовать в медицинских или биологических исследованиях.

The following studies were made in the reporting period: 1. The multistability of equilibrium forms of a long cylindrical body from a magnetizable elastomer (three stable equilibrium positions) in an inhomogeneous magnetic field was found experimentally. 2. A setup for studying the elastic properties of a magnetizable elastomer in a uniform magnetic field was created. 3. The dependence of the coefficients of elasticity of the magnetizable elastomer on the magnitude of the applied uniform magnetic field was studied. 4. The deformation of a cylindrical body from a magnetizable elastomer in an inhomogeneous magnetic field was studied theoretically, taking into account the dependence of the elasticity coefficients on the magnetic field, and a mathematical model describing the phenomena observed in the experiment (see item 1) is proposed. 5. A setup for the study of viscosity and elastic properties of magnetizable elastomers in a uniform magnetic field was created. 6. The influence of the magnetic field on the coefficients of elasticity and viscosity was studied. 7. New samples with anisotropic magnetizable elastomer were created and their physical properties were studied. 8. The installation that creates a uniform time-varying magnetic field has been upgraded. 9. The motion of deformable bodies with magnetizable materials under the action of an alternating magnetic field along the bottom of a vessel filled with liquid was experimentally studied. A paradoxical phenomenon was found: in a very viscous liquid (glycerine) bodies move faster and in the opposite direction compared to movement in a less viscous medium (water or air). 10. It was proposed explanation of the observed phenomena: the effect of viscosity on the direction of motion. The mathematical model of motion of two spherical bodies of magnetizable material connected by the elastic link, in alternating inclined uniform magnetic field near the bottom of the container with different liquids was propoused. Calculations based on this model showed that the studied objects (actuator for locomotion) in water and in glycerine move in different directions.

1. Предполагается экспериментально обнаружить мультистабильность равновесной формы длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера (три устойчивых положений равновесия) в неоднородном магнитном поле. Отметим, что авторами проекта ранее была теоретически предсказана бистабильность деформации длинного цилиндрического тела в поле витка с током, затем такую бистабильность авторам проекта удалось наблюдать экспериментально в неоднородном поле электромагнитной катушки. Предполагается создать экспериментальную установку, в которой магнитное поле будет создаваться системой электромагнитных катушек, и в которой деформация тела при некоторых диапазонах токов будет иметь больше чем две устойчивых равновесных форм. При этом должны наблюдаться скачкообразные изменения формы тела при некоторых критических значениях токов при квазистатических изменениях тока. Предполагается обнаружить гистерезис формы тела при циклическом увеличении и уменьшении тока в электромагнитной системе. 2. Создание установки для исследования упругих свойств намагничивающегося эластомера в однородном магнитном поле. Упругие свойства исследуемых намагничивающихся эластомеров хорошо описываются моделью Муни — Ривлина для несжимаемой среды. Эксперименты с простым растяжением цилиндрического образца при наличии однородной деформации позволяют на основе стандартной технологии определить коэффициенты упругости в этой модели. Сложность состоит в том, что эти коэффициенты для исследуемых образцов достаточно малы и создать однородную деформацию можно только, если исключить влияние силы тяжести, которая существенно неоднородно деформирует образец. Кроме того для изучения влияние однородного магнитного поля, надо создать электромагнитную систему, позволяющую менять направление поля и его величину. 3. Получение зависимости коэффициентов упругости в модели Муни — Ривлина намагничивающегося эластомера от величины и направления магнитного поля. Знание зависимости коэффициентов упругости от величины магнитного поля необходимо для любого теоретического расчета деформации тела из намагничивающегося эластомера в любом магнитном поле. 4. Построение математической модели, описывающей деформацию цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле экспериментальной установки (см. п. 1) с учетом зависимости коэффициентов упругости в модели Муни —Ривлина от величины магнитного поля. На основе этой модели будут проведены численные расчеты наблюдаемой в эксперименте деформации. Учет зависимости коэффициентов упругости от величины магнитного поля позволит более адекватно описать эксперимент. 5. Создание установки для исследования вязкоупругих свойств намагничивающихся эластомеров в однородном магнитном поле. В условия статики вязкие свойства материала не проявляются. Однако в переменном во времени магнитном поле, когда деформация меняется во времени, должны проявляться вязкие свойства эластомеров. Коэффициент вязкости, как и коэффициенты упругости, могут зависеть от величины и направления магнитного поля. Коэффициент вязкости в модели Кельвина — Фойхта или другой модели будет определяться из эксперимента с закручиванием цилиндрического образца, т.е. на основании экспериментально полученной зависимости угла закрутки от времени. Сложность создания такой установки, как и в случае установки для исследования коэффициентов упругости, заключается в создании электромагнитной системы, создающей однородное поле, величиной и направлением которого можно управлять. 6. Получение зависимости коэффициента вязкости от величины магнитного поля. Такая зависимость будет получена с использованием экспериментально наблюдаемой зависимости угла закрутки от времени в заданном магнитном поле, которая сравнивается с теоретическим решением. Знание зависимости вязкости от величины и направления магнитного поля необходимы для расчетов динамики деформируемых в магнитном поле тел из намагничивающихся эластомеров. 7. Модернизация установки, создающей переменное во времени магнитное поле. Для создания направленного движения тел из намагничивающегося эластомера при помощи поля необходимо, создать переменное во времени магнитное поле. В модернизированной установке будет создаваться однородное магнитное поле, направление и величина которого будет меняться во времени по заданному закону. 8. С помощью этой установки будут экспериментально исследовано движение тел разной формы из намагничивающегося эластомера в переменном магнитном поле. В частности, будет исследована возможность создания движения тела из намагничивающегося эластомера определенной конфигурации вдоль изотропной твердой поверхности под действием наклонного к этой поверхности переменного во времени магнитного поля. Основной механизм, вызывающий движение, в предлагаемом прототипе движителя это сильная деформация в однородном магнитном поле и наличие силы трения покоя между телом и поверхностью. Очень важна также роль упругих сил, которая возвращает форму тела к исходной при выключении поля. 9. Предполагается построить математическую модель движения модели тела определенной конфигурации в переменном наклонном магнитном поле. Будет написана программа численного расчета движения такого движителя и проведены расчеты при разных параметрах задачи. На основе этих расчетов будет исследовано влияние некоторых параметров задачи на скорость движения такого тела.

Построена новая математическая модель упругого намагничивающегося полимера, учитывающая магнитострикционные эффекты (см. работы Turkov V.A., J. Magn. Magn. Mater., 252, 156-158 (2002), Naletova V.A., Kiryushin V.V., Turkov V.A., Shkel Y.M., Klingenberg D.J., Magnetohydrodynamics, 37, N 1-2, 206-211, (2001), Naletova V.A., Turkov V.A., Shkel Y.M., Klingenberg D.J., J. Magn. Magn. Mater., 202, 570-573 (1999)). Показано, что в случае конечных деформаций таких сред в магнитном поле в ряде случаев можно ввести эффективный модуль Юнга, зависящий от магнитного поля. Получено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов. Впервые теоретически и экспериментально показана возможность бистабильности цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера на основе силикона в поле электромагнитной катушки (V.A. Naletova, D.A. Pelevina, D.I. Merkulov, I. Zeidis, K. Zimmermann. Bi-stability of the deformation of a body with a magnetizable elastomer in a magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2016, vol. 52, No. 3, pp. 287-298; Д.И. Меркулов, В.А. Налетова, Д.А. Пелевина, В.А. Турков. Экспериментальное исследование бистабильности деформации тонкого тела из намагничивающегося эластомера в магнитном поле. В сб.: Сборник научных трудов 17-й Международной плесской конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям, 2016, стр. 101-106). Впервые создан прототип движителя из намагничивающихся материалов, использующий изгибную деформацию в приложенном магнитном поле и движущийся в канале в заданном направлении (см. работы [4,6,7,8,13] списка совместных работ). Экспериментально исследована зависимость скорости движителя от частоты переключения магнитного поля.

В отчетном периоде проведены следующие исследования: 1. Экспериментально обнаружена мультистабильность равновесных форм длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера (три устойчивых положения равновесия) в неоднородном магнитном поле. 2. Создана установка для исследования упругих свойств намагничивающегося эластомера в однородном магнитном поле. 3. Изучена зависимость коэффициентов упругости намагничивающегося эластомера от величины приложенного однородного магнитного поля 4. Теоретически изучена деформация цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле с учетом зависимости коэффициентов упругости от величины магнитного поля и предложена математическую модель, описывающую наблюдаемые в эксперименте явления (см. п. 1). 5. Создана установка для исследования вязкоупругих свойств намагничивающихся эластомеров в однородном магнитном поле. 6. Исследовано влияние величины магнитного поля на коэффициенты упругости и вязкости. 7. Созданы новые образцы из анизотропного намагничивающегося эластомера и изучены их физических свойства. 8. Модернизирована установка, создающая однородное переменное во времени магнитное поле. 9. Экспериментально исследовано движение деформируемых тел из намагничивающихся материалов под действием переменного магнитного поля вдоль дна сосуда, заполненного жидкостью. Обнаружено парадоксальное явление: в очень вязкой жидкости (глицерине) тела движутся быстрее и в противоположном направлении по сравнению с движением в менее вязкой среде (воде или воздухе). 10. Предложено объяснение обнаруженного явления влияния вязкости на направление движения тел. Построена математическая модель движения двух сферических тел из намагничивающегося материала, связанных упругой связью, в переменном наклонном однородном магнитном поле около дна сосуда с различными жидкостями. Проведенные на основе этой модели расчеты показали, что исследуемые объекты (aктуаторы для локомоции) в воде и в глицерине движутся в разные стороны. Задачи, поставленные в план, решены и представлены в 20 печатных работах, из них 8 статей (5 статей в рецензированных журналах). Результаты доложены на 8 российских и международных научных конференциях. Опубликовано 2 совместные с немецкими соавторами статьи.