Finommechanika Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék   Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem   Gépészmérnöki Kar Dr. Halmai Attila egyetemi tanár Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék     Finommechanika

A finommechanika A gépészetben általánosan fontos hatásfok helyett a finommechanikai szerkezetekben a jel/zaj viszony a meghatározó. X

A finommechanika A finommechanikai szerkezetek az ember szellemi tevékenységét vannak hivatva megkönnyíteni, illetve az emberi érzékszervek érzékelési területének kiegészítésére szolgálnak. Cél lehet olyan fizikai paraméter mérése is, amelynek észlelésére nincs érzékszervünk (pl. radioaktív sugárzás, villamos áram, mágneses térerősség).

A finommechanika A finommechanika apró, kis méretű tárgyakat állít elő nagy méret szabatossággal (pl. mechanikus óra). A nagy méret szabatosság viszonylagos, mivel a felületi érdesség mérőszáma az alkatrészek méreteinek tartományába eshet.

A finommechanika kis méretek szabatos kivitel általában mechanikai struktúra jelátvitel az elsődleges funkció a méreteket a környezeti, a gyártási körülmények határozzák meg, és nem a szilárdsági viszonyok az általános gépészettől eltérő, új szemléletmódot igényel

A méretek összehasonlítása Mi a különbség a finommechanika és a klasszikus mechanika között? Gépészet Finommechanika Mikrotechnika Nanotechnológia

A kis méretek hatása lineáris hosszméret, x F ~ x2 V ~ x3 F V F/ V F/ V ~ 1/x Felület [m2] F~ x2 Térfogat [m3] V~ x3 Súly [N] G~V~ x3 x: hosszméret [m; mm] Mikrorendszerek Nagy méretek

Példák az állatvilágból A méretek hatása a „konstrukcióra” a természetben Az elefánt felépítése robusztus, lábai vastagok, mozgása lomha A bolha és a hangya lábai vékonyak, az egész kostrukció filigrán, mozgásuk gyors

A bolha teljesítménye Testméret: kb. 2 mm, az ugrás magassága: 250 mm A bolha tehát testméretének több, mint százszorosára képes felugrani

A szúnyog konstrukciója Felépítés: vékony lábak, filigrán csuklók (és vérrel teli potroh)

A hangya konstrukciója

A hangya konstrukciója Figyelemre méltóak a hangya rágói

A hangya teljesítménye A hangya saját testtömegének többszörösét képes szállítani szinte függőleges irányban is! Emberi léptékre átszámítva ezek a levélmetsző hangyák 15 km-t futnak egy levélért, majd egy 300 kg-os tárgyat cipelnek 24 km/órás sebességgel.

Az elefánt konstrukciója Az állat magassága 3…3,5 m, súlya 7…10 t, hossza 6…7,3 m

Példák az állatvilágból A méretek hatása a szárnyfrekvenciára a természetben halászsas: 0.1 Hz veréb: 1 Hz szúnyog: 400 Hz A kisebb méretű repülő állatok szárnyfrekvenciája nagyobb, mint a nagy termetűeké

A darázs konstrukciója

A légy felépítése

A kis méretek legfontosabb következményei I. 1. A lineáris méretek csökkentésével a térfogat, és ezzel együtt a súly is a harmadik hatvánnyal csökken: tehát egy tized akkora szerkezet súlya nem tizedrésze, hanem ezredrésze lesz az eredetinek. Ezért van az, hogy a finommechanikában a szerkezet súlyából eredő erőhatásokra nem kell méreteznünk. A mikromechanikában pedig méginkább így van.

A kis méretek legfontosabb következményei II. 2. A lineáris méretek csökkentésével a felület négyzetesen, tehát a térfogathoz képest egy hatványkitevővel kisebb mértékben csökken. Egy tizedakkora szerkezet felülete századakkora lesz, mint az eredeti. Ez azt jelenti, hogy a kisebb szerkezet felülete a térfogathoz képest megnövekszik, vagyis a kisebb szerkezet viszonylag nagyobb felületű lesz. Ezért van az, hogy a kisebb szerkezet relatíve nagyobb teljesítményekre képes, mert a relatíve nagyobb felület miatt jobbak a hűtési viszonyok.

A kis méretek legfontosabb következményei III. 3. A lineáris méretek csökkenésével a rendszer sajátfrekvenciája növekszik. Ez azt jelenti, hogy a kisebb rendszer gyorsabb működésre lesz képes. 4. A lineáris méretek csökkenésével a kapacitások (villamos kapacitás, hőkapacitás) is csökkennek. Ennek következménye szintén a gyorsabb működés. 5. A lineáris méretek csökkenésével eddig figyelmen kívül hagyott fizikai törvények kerülnek előtérbe. Ilyen például a felületi feszültség.

A molnárka a víz felületi feszültségét használja ki

Ha már a szúnyognál tartunk … Régebben, a múlt században még azt tanítottuk, hogy precíz, pontos pozícionáláshoz nagy tömegek, súlyos vezetékek kellenek. A mai mechatronikus rendszerek, intelligenciájuknak köszönhetően képesek precízen pozicionálni még akkor is, ha mozgó, rugalmasan deformálódó rendszerekről van szó. A szúnyog esete a mai mechatronikus rendszerekhez hasonló abban az értelemben, hogy a szúnyog mozgó, állandóan változó körülmények között századmilliméter pontossággal meg képes találni azt a pontot, ahová szívókáját beleengedi a bőrfelületbe. A szúnyog intelligenciájához képest a műszaki rendszerek mesterséges intelligenciája még nagyon kezdetleges szinten áll a, de a műszaki rendszerek fejlődésének iránya a fenti példa alapján világos, jól prognosztizálható.

Példák finommechanikából

Példák finommechanikából

Példák finommechanikából

Példák finommechanikából

Példa a mikromechanikai technológiákra: emberi hajszál megmunkálása

Az Olympic és a Titanic a Belfast-i hajógyárban