vanderwaalskrachten, vacuüm, oppervlaktespanning

[Michel Uphoff]

Eindmaten (gauge blocks) zijn ultranauwkeurig geslepen en gelepte blokjes gehard staal met zeer nauwkeurige afmetingen. De twee meetvlakken zijn dermate vlak dat er een fenomeen optreedt als je deze vlakken van twee blokjes tegen elkaar drukt (liefst wringend met een draaiende beweging), ze blijven hierna stevig aan elkaar zitten.

Van deze eigenschap van eindmaten wordt heel nuttig gebruik gemaakt. Een kistje eindmaten heeft een hele serie van die blokjes in verschillende diktes, en door een aantal aan elkaar te wringen kan je met grote precisie een bepaalde lengtemaat instellen.

Er is nog veel meer te vertellen over het gebruik van die dingen, maar dat is niet voor hier. Zie daarvoor bijvoorbeeld dit Youtube filmpje:



Mij gaat het hier om de fysica achter dat kleven van deze blokjes. Daarvoor worden drie verklaringen gegeven:

1: Omdat de vlakken zo nauw aansluiten, wordt een vacuüm tussen de vlakken gecreëerd, dus perst de luchtdruk de blokjes tegen elkaar.
2: Omdat er sprake is van enige olie of wat watermoleculen op het oppervlak van de blokjes worden deze door de oppervlaktespanning daarvan aan elkaar 'gelijmd'.
3: Een flink aantal atomen in beide vlakken naderen elkaar zó dicht dat de vanderwaalskrachten (cohesie) een rol gaan spelen.

Algemeen is de teneur dat alle drie de fenomenen een rol spelen. Maar aangezien er nergens echt uitsluitsel wordt gegeven, en er nergens iets wordt gemeten blijft het maar een vage boel.

Ik heb het plannetje opgevat te trachten dit wat beter uit te gaan zoeken, en moet daarvoor een betrouwbare meetopstelling maken.

Ik ben er al mee begonnen, zie het volgende bericht.

[Michel Uphoff]

Ik ben het volgende van plan:

- Dun laagje olie op de twee blokjes doen, en de kracht meten waarmee ze uit elkaar moeten worden getrokken.
- Door herhaaldelijk afvegen van de blokjes de olielaag dunner en dunner maken om te zien wat het effect op de 'kleefkracht' is.
- Uiteindelijk de twee blokjes met aceton geheel vetvrij maken en zien welke kracht er dan nog nodig is.
- Bovenstaande herhalen in vacuüm.

Ik ben aan het denken over een handige opstelling, maar de eerste twee zaken die ik moet regelen zijn een handig vacuümvat en een betrouwbare manier om de losbreekkracht te meten.

Dat vat is al af. Ik heb weer eens misbruik gemaakt van mijn vlaktafel (die ook al dienst doet als basis van mijn interferometer) en er pardoes een gaatje in geboord. Zie de onderstaande afbeeldingen.

De perspex buis is 20 cm in diameter en hoogte, en aan beide einden nauwkeurig vlak gedraaid (daar was wel wat geknutsel voor nodig). Twee ringen van zacht PVC dienen als luchtdichte pakking. In het midden van de deksel is een wat groter gat gemaakt. Daarop kunnen diverse 'adapters' worden gelegd. Bijvoorbeeld een met een aansluiting voor een precisievacuümmeter, een met twee stroomdraden voor experimenten waarbij elektriciteit nodig is, et cetera. Voordeel is dus dat er aan de deksel zelf niets veranderd hoeft te worden. Die is voorzien van een eenvoudige manometer en een microkraantje, meer is niet nodig. De luchtdruk houdt het geheel prima luchtdicht, na 48 uur gaf het manometertje nog steeds -1 bar aan.

Volgende deelprojectje is de meetinrichting. Ik ga daar een weegschaaltje voor slopen.

[Michel Uphoff]

Ik heb een prima digitale precisieweegschaal, maar die is veel te groot voor het vacuümvat.
Dus voor € 8,99 een prutsding in de aanbieding gekocht en gedemonteerd:

weeg1 3342 keer bekeken

Ik vermoed dat meer dan de helft van de productiekosten opgingen aan het vrij dikke rvs deksel. Dat komt vast een keer van pas.

Gedemonteerd, en hij doet het nog! In feite zijn het vier pootjes die verend in stalen plaatjes zijn opgehangen. Rekstrookjes veranderen van weerstand bij de minieme buiging van die plaatjes. De vier pootjes zijn als een brug van Wheatstone opgesteld. De resulterende weerstandsverandering veroorzaakt een onbalans in de brug en dus voor een spanning over de meetpunten, die na versterking en calibratie naar een ad converter gestuurd wordt die op zijn beurt het digitale resultaat aan een uitlezing aanbiedt. Dat alles zit in een kleine chip (BH67F5245), die en masse wordt geproduceerd en minder dan een euro kost.

Een nieuwe behuizing voor louter de vier weegpootjes gemaakt:

De pootjes kunnen onbelemmerd ingedrukt worden. Omdat ik nog niet precies weet hoe ik de kracht tussen de eindmaatjes ga meten, heb ik ook maar een centraal gat met schroefdraad gemaakt, zodat ik eventueel een hangende opstelling kan maken.

En hij doet het nog steeds

Ietwat knullig kastje voor het display en batterijen (nu 2x aaa i.p.v. die verrekte knoopcellen) en wat schakelaartjes en klaar. Deze weegschaal past met gemak in het vacuümvat.
Wat testen met gewichten en vergelijken met mijn 50 keer duurdere precisie weegschaal leidt tot een verrassend inzicht: Dit spotgoedkope ding is behoorlijk nauwkeurig! Ik kwam op maximaal 1 gram per kg afwijking over de volle schaal van 5 kg. 0,1% is veel beter dan verwacht!

Nu de testopstelling bedenken. Commentaar en suggesties zijn natuurlijk welkom!
En, als jullie je er aan durven te wagen: Hoe zou het naar jullie idee staan met die drie mogelijke bronnen van de 'kleefkracht' tussen twee ultra vlakke objecten van hetzelfde materiaal? Welke is de dominante invloed?

[CoenCo]

Oeh! Daar gaan we weer
Alvast veel succes met dit project, ik ben erg benieuwd waar je allemaal mee komt.

Ik zet overigens in op dominante olie.

[Xilvo]

Is (voor metalen) het Casimir effect ooit geopperd?
Voor heel kleine afstanden (<10^-8 m) zou je aanzienlijke krachten moeten krijgen.

[Michel Uphoff]

Is (voor metalen) het Casimir effect ooit geopperd?

Niet dat ik weet, maar minder dan een honderdste nanometer is wel heel weinig. Ik heb begrepen dat het 'kleef' fenomeen pas optreedt als de vlakheid van de gauges beter is dan 0,13 µm terwijl de oppervlakteruwheid kleiner moet zijn dan 0,025 μm klik. Maar dat ligt dus wel nog ongeveer een orde van grootte hoger dan die 10^-8m.

Ik zet overigens in op dominante olie.

Gaan we (hoop ik) zien. Het lijkt ook mij een prima kandidaat.

[Xilvo]

Je bedoelt een honderdste micrometer?
Die oppervlakteruwheid komt aardig in de buurt. Maar die afstand zit er tot de vierde macht in dus dat let wel nauw.

[OOOVincentOOO]

Ben benieuwd ziet er allemaal mooi uit. Hier wat (wilde) ideeën:

Temperatuur afhankelijkheid:
warm, koud opwarmen wellicht interessant?

Oppervlakte hydrofoob te maken:
Naar ik begrijp gebruikt men het gevaarlijk goedje HF in professionele omgeving. Misschien is het mogelijk met chloor iets hydrofoob te maken op veiligere manier (weet niet of dit gaat met Fe of keramische eindmaten)? Heb geen chemische achtergrond dus niet meteen schieten aub!

Meettechnisch:
Uit elkaar trekken, zie ik uitdagingen blokjes parallel uit elkaar te trekken, hoe de kracht te meten weet ik niet.
Van elkaar af "breken", een blokje wellicht inklemmen en ander blokje belasten met schroef welke men indraait?
Van elkaar of schuiven "ala" viscositeit methode. Net zoals het breken maar de belasting schroef nabij hechtingvlak en wellicht omgekeerd geplaatst in klem.

Zelf zet ik in op van der Waals.

Die eindmaten kunnen erg vast aantrekken. Weet niet of eindmaten tot op 10 [nm] vlak zijn over 2 [cm]. Kleine temperatuur verschillen veroorzaken dit misschien al. Ben nu toevallig aan het inleren met GOM atos en Zeiss accura (van dunne film naar grote objecten voor mij!). Misschien kan ik tzt wat metingen doen met microscoop interferometer op het werk in verloren uurtje oppervlakte eindmaat bestuderen.

[OOOVincentOOO]

EDIT:
Ben nu toevallig aan het inleren met GOM atos en Zeiss accura (van dunne film naar grote objecten voor mij!). Vlakheden grotere objecten van 0.01 [um] is erg weinig en nauwelijks meetbaar op 2 [cm] schaal. Misschien kan ik tzt wat metingen doen met microscoop interferometer op het werk in verloren uurtje oppervlakte eindmaat bestuderen (op 1 [mm] schaal).

[Michel Uphoff]

@Xilvo: >> Je bedoelt een honderdste micrometer? <<

Ja, typo. Bij een honderdste nanometer (10^-11m) is het inderdaad het Casimireffect dat allesoverheersend zou zijn.

Maar op 'mijn' schaal van zeg eens 0,1 µm onderlinge afstand zou het bij het gauge-oppervlak van 9*30 mm neerkomen op 0,00351 N als ik het goed berekend heb.

Image1 3199 keer bekeken

Toch een veel grotere kracht dan ik dacht.

Ok, de stemmen tot nu toe voor de hoofdschuldige:
vanderwaalskrachten 1
oppervlaktespanning olie 1
vacuüm 0

[Papabear]

Wat een leuk experiment! Wetenschap is kunst! Dus de blokjes blijven ook zitten in vacuum? Heeft een elektrisch veld invloed, of een dun medium?

[Michel Uphoff]

@OOOVincentOOO
>> Oppervlakte hydrofoob te maken <<
Wellicht moet ik dat op een of andere manier gaan doen, want ook watermoleculen zouden eventueel met hun oppervlaktespanning als 'lijm' kunnen dienen. Meer eerst maar eens een meetopstelling en wat meten.

>> zie ik uitdagingen blokjes parallel uit elkaar te trekken <<
Ik denk dat wel opgelost te hebben, zie volgende bericht.

@Papabear
>> Dus de blokjes blijven ook zitten in vacuum? <<
Ja, dat is bekend maar de vraag is natuurlijk of die hechting in vacuüm zwakker is, c.q. of dat verhaal over dat vacuüm tussen de blokjes enig hout snijdt.

>> Heeft een elektrisch veld invloed <<
Ik denk het niet, althans ik kan zo snel niet een invloed onder huiselijke omstandigheden bedenken.

>> of een dun medium? <<
Een dunne oliefilm zou zeker invloed hebben, hoeveel is de vraag. Zoeken we dus uit.

[Michel Uphoff]

Dit is wat ik gebouwd heb voor de testopstelling:

De twee eindmaatjes zijn dmv plaatjes rubber en metaal in een stukje U-profiel geklemd.

Een U profiel zit (kantelbaar) aan een boutje vast dat in het centrale gat van het weegbrugje is geschroefd, en aan het andere profieltje zit een sterk stalen lusje.

Op de vlakplaat is met twee potmagneten en een dwarsstangetje een hefboompje bevestigd, het hefboompje gaat door het stalen lusje. Het weegbrugje staat op een stevig rechthoekprofiel, en de blokjes hangen vrij beweegbaar daaronder.

Met een stift die in een gaatje in de hefboom past kan ik de hefboom naar beneden drukken, waardoor een trekkracht tussen beide blokjes ontstaat. Die kracht lees ik af van het display. Een plaatje PVC beschermt vlakplaat en eindmaat tijdens het losbreken van de blokjes.

Het geheel past zo mooi in het vacuümvat. De drukstift is goed gepolijst en schuift door een kleine O-ring in de 'adapter' netjes luchtdicht op en neer door het vat. Het snoer van het display is door een gespleten rubberen dopje geleid, en in de weegbrug is het snoer met wat 2 componentenlijm dicht gegoten om lekkage daar tegen te gaan.

En dan nu maar eens gaan kijken of dit zo naar behoren werkt..

[Xilvo]

Mooi gedaan!

Alleen jammer dat het niet mogelijk is de blokjes in vacuüm tegen elkaar te brengen.
Dan zou je ze grondig kunnen ontvetten en langere tijd onder vacuüm kunnen plaatsen (eventueel nog wat opwarmen) zodat je waarschijnlijk ook water aan het oppervlak kwijt zou zijn.

Dan zou je als enige mogelijkheden vanderwaalskrachten en evt. het Casimir effect overhouden.

Over dat laatste: als de blokjes tegen elkaar aanliggen dan is minstens op enkele plaatsen de onderlinge afstand veel kleiner dan 0,1 μm. Aan de andere kant zal er een reden zijn dat dit effect blijkbaar niet genoemd wordt.

[Michel Uphoff]

>> Alleen jammer dat het niet mogelijk is de blokjes in vacuüm tegen elkaar te brengen <<

Als dat echt nodig blijkt, wil ik daar nog wel wat denkwerk aan besteden.

>> Aan de andere kant zal er een reden zijn dat dit effect blijkbaar niet genoemd wordt <<

Ik denk dat wil de eerder gegeven formule de berekende uitkomst geven, je het over perfect geleidende metalen moet hebben. Een niet perfecte geleider heeft immers een gebiedje waarin de straling in het metaal kan dringen en zo de gap in feite vergroot, en naarmate de frequentie van die straling toeneemt, wordt die gap groter. Dat is volgens mij dan ook de reden waarom de tests met goud werden gedaan. Daarnaast zou ook de temperatuur een rol kunnen spelen.

Supergeleidend materiaal bij zeer lage temperaturen, daarbij zou je m.i. dat effect echt betrouwbaar moeten kunnen meten.