ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы исследования влияния магнитного поля на деформацию и движение намагничивающихся композитных материалов (магнитных жидкостей, намагничивающихся эластомеров и др.). В магнитном поле на такие среды действуют магнитные силы (поверхностные или объемные), связанные с неоднородностью или скачками магнитной проницаемости. Магнитные силы вызывают изменение формы поверхности и движение внутри и вне объема намагничивающейся среды. Кроме магнитных сил на тела из намагничивающихся материалов могут действовать моменты сил, которые могут также использоваться для создания направленного движения. Это существенно влияет на поведение таких сред и должно учитываться при моделировании и математическом описании движения и деформации таких сред в магнитных полях, что является необходимым этапом в разработке новых принципов движения автономных мобильных роботов и приводов, содержащих в себе намагничивающиеся материалы. Объектами исследования в данном проекте являются: намагничивающиеся эластомеры, представляющие собой композитные материалы на основе различных эластомеров с включениями намагничивающегося материала (твердых ферромагнитных частиц нано и микро размеров), и магнитные жидкости (коллоидные растворы ферромагнитных частиц нано размеров). Отметим, что эти материалы относятся к категории «умных материалов», свойства которых могут меняться в магнитном поле. В данном проекте делается акцент на исследовании особенности деформации конечных объемов таких сред в однородных магнитных полях и возможности использования этой деформации для создания направленного движения, например, для создания автономных мобильных роботов (движителей) и различных приводов. Особенность таких устройств заключается в том, они не содержат внутри себя моторов и твердых движущихся деталей, и могут иметь достаточно малые размеры. Цели проекта - теоретически и экспериментально изучить возможность использования деформации тел из изотропных и анизотропных намагничивающихся эластомеров в переменных во времени магнитных полях для создания автономных движителей; создать прототипы автономных движителей из намагничивающихся материалов, управляемых переменным однородным магнитным полем и построить математические модели, описывающие их движение; - теоретически и экспериментально исследовать силовое взаимодействие тел из намагничивающихся материалов и магнитной жидкости, и исследовать возможность создания движения таких тел вдоль слоя магнитной жидкости в однородном магнитном поле; - создать прототип насоса-дозатора на основе магнитной жидкости, взаимодействующей с телом из намагничивающегося эластомера, управляемый переменным однородным магнитным полем, и построить математическую модель, описывающую его работу.

The project deals with the fundamental problem of the influence of a magnetic field on the deformation and motion of magnetizable composite materials (magnetic fluids, magnetizable elastomers, etc.). In a magnetic field, magnetic forces (surface or volume) associated with inhomogeneity or jumps of magnetic permeability act on such media. Magnetic forces cause a change of the surface shape and motion inside and outside the volume of the magnetizable medium. In addition to magnetic forces, moments of forces, that can also create directional motion, can act on bodies of magnetizable materials. This significantly affects the behavior of such media and should be taken into account in modeling and mathematical description of the motion and deformation of such media in magnetic fields. Mathematical model is a necessary step to develop new motion principles of autonomous mobile robots and actuators containing magnetizable materials. The studied objects in this project are: magnetizable elastomers, which are composite materials based on various elastomers with magnetizable material inclusions (nano and micro ferromagnetic particles), and magnetic fluids, which are colloidal solutions of nanosized ferromagnetic particles in a base fluid. It should be noted that these materials are “smart materials” whose properties can be changed by a magnetic field. This project focuses on the deformation features of the finite volumes of such media in uniform magnetic fields and the possibility to use this deformation for creation of directional motion (for example, to create autonomous mobile robots and various actuators). Such devices have the following peculiarities: they do not contain inside themselves motors and solid moving parts, and can be quite small. Project objectives - to discover the possibility of using the deformation of bodies with isotropic and anisotropic magnetizable elastomers in time-varying magnetic fields to create autonomous mobile systems and actuators theoretically and experimentally; to create prototypes of such devices controlled by an alternating uniform magnetic field and build mathematical models describing their motion; - to study the force interaction between bodies with magnetizable materials and magnetic fluid theoretically and experimentally; to explore the possibility to create motion of such bodies along a magnetic fluid layer in a uniform magnetic field; - to create a new prototype of a metering pump based on interaction of magnetic fluid and magnetizable body controlled by an alternating uniform magnetic field; to build a mathematical model describing pump operation. The relevance of the presented fundamental research is associated with the possibility to apply the project results for creation new types of directional motion. The prototypes of mobile systems and actuators studied in this project have a number of advantages, in particular: they can have small size and therefore can be used in microfluidics to intensify flows; the motion of such devices is created by external magnetic field; such devices consist of soft polymeric materials or magnetic fluid, therefore, they can be applied in medical and biological researches.

1)Будут созданы различные образцы изотропных и анизотропных намагничивающихся эластомеров (композитных материалов, состоящих из силикона и ферромагнитных частиц микро размеров) и проведено исследование их физических свойств. 2) Будут предложены новые прототипы автономных движителей из различных намагничивающихся материалов (в частности, из намагничивающихся эластомеров), управляемые однородным переменным магнитным полем. Движение таких объектов связано с деформацией этих движителей, вызываемой магнитным полем, и взаимодействием их с окружающей средой (окружающей жидкостью и стенками каналов). 3) Будут построены математические модели и решены новые задачи о движении деформируемых тел (движителей) из намагничивающихся материалов в переменном однородном магнитном поле. На основании теоретических исследований будет дано объяснение причин новых явлений, наблюдаемых при движении таких тел в различных жидкостях. Численные расчеты на основе построенных математических моделей позволят так же исследовать влияние различных параметров задачи на величину и направление скорости движителей. 4) Впервые будет экспериментально исследована возможность движения вдоль слоя магнитной жидкости тела из намагничивающегося материала в присутствии однородного постоянного магнитного поля и изучено влияние направления магнитного поля на характер движения. 5) Будет предложена математическая модель, описывающая движение тела, из намагничивающихся материалов, вдоль слоя магнитной жидкости и проведены численные расчеты скорости движения такого тела. 6) Будет сконструирован новый прототип насоса-дозатора, управляемый переменным однородным магнитным полем. В таком насосе приводом служит магнитная жидкость, содержащая внутри себя тело из намагничивающегося материала. Такой насос не содержит внутри себя движущихся твердых деталей, моторов и источников тока. Такой насос может иметь достаточно малые размеры, т.к. управляется однородным магнитным полем, создаваемым вне насоса. 7) Будет предложена новая математическая модель, описывающая работу предложенного прототипа насоса-дозатора, которая позволит оценить его производительность и исследовать влияние на нее параметров задачи.

1) Имеется успешный опыт создания прототипов автономных мобильных систем на основе намагничивающихся материалов: - Исследован прототип движителя - длинное цилиндрическое тело из намагничивающегося эластомера. (K.Zimmermann, I. Zeidis, V.A. Naletova et al. SSPh: Magnetism and Magnetic Materials, vol. 190, 2012, 629–632) - Экспериментально исследовано движение намагничивающихся тел в вязкой жидкости вблизи дна сосуда в однородном вращающемся магнитном поле (D. A. Pelevina, V. A. Turkovet et al. JMMM. 2015. 390. 20–25) - Исследована левитация и движение магнита в магнитной жидкости на горизонтальной плоскости (D. Pelevina, M. Kobzev et al. EPJ Web of Conferences. 2018. Vol. 185. 09008). 2) Разработаны методики исследования взаимодействия магнитной жидкости с твердыми намагничивающимися телами в магнитных полях: - Исследована деформация объема магнитной жидкости, содержащей намагничивающееся тело, в однородном приложенном магнитном поле. (Pelevina D. A., Naletova V. A. et al. JMMM. 2017. Vol. 431. 184–187) - Исследована левитация намагничивающегося шара, частично погруженного в магнитную жидкость, на горизонтальной плоскости в вертикальном однородном приложенном магнитном поле. (D. A. Pelevina, O. A. Sharova et al. JMMM. 2020. Vol. 494) - Экспериментально обнаружена неоднозначность формы магнитной жидкости между двумя горизонтальными плоскостями в поле катушки с током (Becker T.I., Naletova V.A. et al. Journal of Fluid Mechanics, 2017, 830, 326-349). 3) Имеется опыт создания образцов из изотропных и анизотропных намагничивающихся эластомеров и исследования их свойств: - Показана возможность бистабильности и мультистабильности цилиндрического тонкого тела из намагничивающегося эластомера в поле электромагнитной катушки (Merkulov D.I., Pelevina D.A. et al. MHD, 2019, 55, № 1/2, 125-132). - Построена новая математическая модель упругого намагничивающегося полимера, учитывающая магнитострикционные эффекты. (Turkov V.A. JMMM, 252, 156-158, 2002).

В Проекте исследованы возможности создания направленного движения с помощью магнитоуправляемых материалов, созданы адекватные математические модели, описывающие эти движения, проведены эксперименты для подтверждения полученных в теории результатов. Была модернизирована экспериментальная установка по созданию однородного магнитного поля, которая представляет собой две пары катушек Гельмгольца, питаемых биполярными источниками тока. Данная установка может создавать постоянные и переменные магнитные поля различных конфигураций в вертикальной плоскости амплитудой до 450 Э. Эксперименты в данном Проекте проводились с использованием этой установки. МОБИЛЬНЫЕ РОБОТЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Созданы образцы роботов из упругих намагничивающихся материалов: пружина из намагничивающегося эластомера (образец 1) и два намагничивающихся сферических тела, соединенных немагнитной упругой связью (образец 2). Экспериментально показана возможность движения таких образцов вдоль горизонтального дна в пульсирующем однородном наклонном магнитном поле. Экспериментально обнаружено интересное явление: направление движения образцов будет зависеть от окружающей жидкости. Предложена математическая модель движения сферических тел с учетом действия магнитных, упругих, вязких сил, сил сухого трения и сил тяжести. Численные расчеты показали, что предложенная простая модель качественно предсказывает новый эффект: влияние вязкости окружающей жидкости на направление движения робота. Получено, что на направление движения робота также влияют плотность окружающей жидкости и частота магнитного поля. Существуют оптимальные значения длины упругой связи и величины магнитного поля, при которых абсолютная величина скорости робота максимальна. [https://doi.org/10.1007/s11012-022-01486-9] РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ ЭЛАСТОМЕРОВ Были созданы образцы намагничивающихся эластомеров, и проведено экспериментальное исследование их реологических свойств. Для этого был проведен и обработан эксперимент на кручение тонкого стержня из намагничивающегося эластомера в однородном магнитном поле. Показано влияние величины магнитного поля на реологические свойства. Вязкоупругие свойства и релаксацию напряжений необходимо учитывать при рассмотрении динамических процессов (например, в мобильных роботах). Показано, что четырехпараметрическая модель вязкоупругого поведения материала удовлетворительно описывает данные явления. [http://dx.doi.org/10.22364/mhd.57.2.2] ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ ИЗ АНИЗОТРОПНЫХ НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ ЭЛАСТОМЕРОВ Созданы образцы сферических тел из намагничивающихся эластомеров с анизотропными магнитными свойствами путем полимеризации намагничивающегося эластомера в достаточно большом однородном магнитном поле. Предложена математическая модель движения сферического тела из такого эластомера в окружающей вязкой жидкости в магнитном поле витка с током. Если в начальный момент времени тело находится на оси витка с током и вектор анизотропии не параллелен магнитному полю, то тело может отклоняться от оси витка при включении тока. Модель учитывает возможность движения тела по одной из наклонных плоскостей, которые поддерживают тело в начальный момент. Помимо магнитной силы и момента магнитных сил, модель учитывает момент вязких сил и силу вязкого сопротивления, силу Архимеда, силу тяжести и силу сухого трения о плоскость. Теоретически показано, что при режиме качения по наклонной плоскости происходит заметное отклонение тела от оси витка. Установлено, что максимальное отклонение тела от оси витка немонотонно зависит от величины тока и угла наклона плоскости. Полученные результаты могут быть полезны при создании мобильных роботов из анизотропных намагничивающихся эластомеров. [https://dx.doi.org/10.55959/MSU0579-9368-1-2023-1-39-44] ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГОСЯСЯ ТЕЛА ВДОЛЬ СЛОЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Проведено исследование движения сферического тела из намагничивающегося материала вдоль слоя магнитной жидкости в присутствии вертикального постоянного однородного магнитного поля. Теоретически получено, магнитная сила, действующая на тело со стороны слоя, немонотонно зависит от начальной геометрии. Теоретически обнаружен интересный эффект: магнитная сила при определенных параметрах может отталкивать тело от слоя. Такой эффект обнаружен впервые. Построена математическая модель движения тела под действием магнитной силы и силы вязкого трения без учета течения магнитной жидкости. Были проведены эксперименты при различных значениях магнитного поля, объема магнитной жидкости, геометрических параметров слоя. Показано, что скоростью тела можно управлять с помощью магнитного поля. В экспериментах был подтвержден предсказанный теорией эффект: магнитная сила отталкивает тело при определенном расположении тела и слоя магнитной жидкости. Используемая в теории математическая модель достаточно хорошо описывает экспериментальные данные. [http://dx.doi.org/10.1063/5.0056711] ЛЕВИТАЦИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ТЕЛА ИЗ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГОСЯ МАТЕРИАЛА В КАПЛЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Исследована возможность равновесной левитации сферических тел из намагничивающихся материалов в капле магнитной жидкости на горизонтальной плоскости в однородном горизонтальном магнитном поле. Численные расчеты показали, что в таком поле на тело действует небольшая магнитная сила, направленная вверх. Однако, в отличие от случая вертикального поля, этой силы недостаточно для заметного подъема тела. Экспериментальные исследования подтвердили этот вывод. Также проведены предварительные экспериментальные исследования возможности левитации сферического тела в капле магнитной жидкости в наклонном приложенном магнитном поле. Обнаружено, что шар может левитировать не только в вертикальном, но и в наклонном магнитном поле (в некотором диапазоне углов наклона). [http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/r_163_0014.pdf] ТЕЧЕНИЕ СЛОЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ Построена математическая модель течения тонкого слоя вязкой магнитной жидкости около намагничивающегося цилиндра в длинноволновом приближении. Теоретически обнаружено, что магнитная сила, действующая на слой, меняет знак на некотором расстоянии от тела, то есть существует точка, в которой скорость магнитной жидкости меняет направление. Рассчитаны формы поверхности магнитной жидкости, а также средняя скорость течения в различные моменты времени для области, где жидкость течет к телу. Получено, что глубина слоя уменьшается при приближении к телу и достаточно быстро убывает по времени. Уменьшение глубины слоя приводит к уменьшению магнитной силы, действующей на тело. Был проведен предварительный эксперимент по исследованию течения жидкости в слое около покоящегося цилиндрического тела. Продемонстрировано, что в слое имеется область, в которой магнитная жидкость течет от тела. Данный эффект обнаружен впервые. [http://ispu.ru/files/PLES-2022-_sbornik-docx.pdf] НАСОСЫ-ДОЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Был спроектирован и создан прототип насоса-дозатора, в котором приводом служит магнитная жидкость, содержащая внутри себя сферическое тело из намагничивающегося материала. Этот прототип управляется переменным однородным магнитным полем. Построены зависимости подъема магнитной жидкости и объема вытесненной немагнитной жидкости от магнитного поля. В усовершенствованном прототипе насоса добавлен поршень, разделяющий магнитную жидкость и перекачиваемую жидкость. Построена математическая модель работы насоса-дозатора с поршнем, которая позволяет оценить скорость его движения и исследовать влияние параметров задачи на это движение. Получено достаточно хорошее совпадение расчетов и экспериментальных данных в малых магнитных полях. [https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50404938]