مقدمة
يُعد فهم الخصائص اللزجة-المرنة للبوليمرات أمرًا بالغ الأهمية لاستخدامها في العديد من التطبيقات، بما في ذلك المعدات الرياضية. فقد أحدثت البوليمرات ومركبات البوليمرات عالية الأداء ثورة في صناعة الرياضة من خلال تزويد المستخدمين بمعدات متينة ومريحة ودقيقة وطويلة العمر [1]). تُعد البوليمرات ومركبات البوليمرات أساسًا لنشاط اليوم: فهي تشكل مواد الأرضيات المستخدمة في المنشآت الرياضية الداخلية والخارجية، ونعال الأحذية، وشبكات الكرة، وأوتار المضارب، وما إلى ذلك. وتعد القدرة على تقييم الخصائص الحرارية والأداء الفيزيائي لهذه المواد أمرًا بالغ الأهمية في تصميمها وتصنيعها واستخدامها النهائي.
يُستخدم التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) في المقام الأول لتحليل الخصائص اللزجة المرنة للمواد البوليمرية، ولكنه يُستخدم أيضًا لقياس المعادن والسيراميك أو محاكاة ظروف ميكانيكية محددة. يُعد جهاز DMA 303 من شركة NETZSCH Eplexor® جهازًا مكتبيًّا متعدد الاستخدامات قادرًا على القياس في نطاق درجات حرارة يتراوح من -170 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية (من -274 درجة فهرنهايت إلى 1472 درجة فهرنهايت)، مع تطبيق قوى تتراوح من 1 ميلينيوتن إلى 50 نيوتن، ويعمل بترددات تتراوح من 0.001 إلى 150 هرتز. في هذه الدراسة، تم اختبار ثلاثة أنواع مختلفة من خيوط كرة الريشة عالية الأداء باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA). يتألف التصميم الحديث لخيوط كرة الريشة من عدة مواد وطبقات وطلاءات [2]. تتمتع العينات الثلاث التي تم اختبارها بنفس البنية الأساسية: قلب متعدد الخيوط من النايلون محاط بألياف نايلون مضفرة. العينة 1 مغطاة بطبقة من هيدريد التيتانيوم، بينما العينتان 2 و3 مغطيتان بطبقة مركبة من أنابيب الكربون النانوية ذات البنية الكوبية المتراكبة. من منظور الأداء، تصنف الشركة المصنعة الخيوط المختلفة، ويظهر ملخص ذلك في الجدول 1.
الجدول 1: الخصائص المُعلنة من قبل الشركة المصنعة لخيوط البادمينتون الثلاثة.
| المتغير | العينة 1 (الدرجة من 10) | العينة 2 (الدرجة من 10) | العينة 3 (الدرجة من 10) |
|---|---|---|---|
| قوة الارتداد | 7 | 8 | 9 |
| المتانة | 7 | 10 | 7 |
| صوت الضربة | 7 | 7 | 8 |
| امتصاص الصدمات | 6 | 6 | 8 |
| التحكم | 6 | 6 | 10 |
الهدف الرئيسي لهذه الدراسة هو ربط الخصائص اللزجة المرنة التي تم قياسها بواسطة جهاز قياس التحليل الميكانيكي (DMA) بمعايير الأداء التي أوردتها الشركة المصنعة في الجدول 1. ويصف معامل التخزين (E’) قدرة المواد على تخزين الطاقة وإطلاقها (مثل الزنبرك)، وهو ما يمكن ربطه مباشرةً بقوة التنافر المذكورة. يصف معامل الفقد (E”) تبديد المواد للطاقة (عادةً من خلال الاحتكاك الداخلي)، وأخيرًا فإن معامل التخميد (tan δ) هو نسبة E” إلى E’ (ويصف مدى قدرة المادة على تخميد القوة المطبقة). وبالتالي، يرتبط كل من صوت الارتطام وامتصاص الصدمات ارتباطًا مباشرًا بخصائص E” و tan δ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استكشاف معلمات مثل المتانة من خلال الاختبار كدالة لزيادة القوة بدلاً من درجة الحرارة.
اختبار DMA للخصائص اللزجة المرنة ومحاكاة التطبيقات
لتحديد الخصائص اللزجة المرنة لخيوط البادمينتون الثلاثة، أُجري اختبار مسح درجة الحرارة القياسي على كل عينة في حالة الشد (كما هو موضح في الشكل 1)، باستخدام جهاز قياس الديناميكية اللزجة (DMA) طراز DMA 303 من شركة « NETZSCH » Eplexor® في نطاق درجات الحرارة من -150 إلى 150 درجة مئوية.
يلخص الجدول 2 مناطق الانتقال المختلفة لكل عينة. ويظهر المخطط اللزوجي المرن للعينة 1 كدالة لدرجة الحرارة في الشكل 2، وللعينة 2 في الشكل 3، وللعينة 3 في الشكل 4، وقد تم قياس جميع العينات في حالة الشد. من الأشكال من 2 إلى 4، يتضح أن العينتين 2 و3 لهما ملامح ومناطق انتقالية متشابهة جدًّا، على عكس العينة 1 (التي تحتوي على طلاء مختلف) والتي تختلف بشكل ملحوظ. النايلون هو بولي أميد أليفاتي يُصنف عادةً حسب الدرجات الرقمية (6، 66، 11، 12)، وجميعها تتميز بحدوث انتقال زجاجي في نطاق درجات حرارة تتراوح بين 40 و95 درجة مئوية. ولذلك، من المثير للاهتمام جدًّا دراسة الانتقالات الأخرى التي تُلاحظ عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة.
الجدول 2: التحولات الحرارية للعينات 1 و2 و3، مع الإشارة إلى قيم E’ وE” وtan δ. تم قياس جميع العينات في حالة الشد باستخدام تشوه ديناميكي قدره 10 ميكرومتر، وعامل تناسبي قدره 1.3، ومعدل تسخين قدره 2 درجة مئوية/دقيقة.
| التحول | بداية E' | ذروة E" | tan δ |
|---|---|---|---|
العينة 1 | |||
| 1 | -103.6 درجة مئوية 8382 ميجا باسكال | -84.2 درجة مئوية 467 ميجا باسكال | -79.9 درجة مئوية 0.067 |
| 2 | -18.1 درجة مئوية 4242 ميجا باسكال | -4.2 درجة مئوية 363 ميجا باسكال | 10.3 درجة مئوية 0.156 |
| 3 | 100.3 درجة مئوية 580 ميجا باسكال | 97.2 درجة مئوية 62 ميجا باسكال | 98.2 درجة مئوية 0.1ß6 |
العينة 2 | |||
| 1 | -90.7 درجة مئوية 7001 ميجا باسكال | -74.1 درجة مئوية 381 ميجا باسكال | -71.9 درجة مئوية 0.061 |
| 2 | 22.0 درجة مئوية 3813 ميجا باسكال | 49.4 درجة مئوية 220 ميجا باسكال | 65.1 درجة مئوية 0.136 |
العينة 3 | |||
| 1 | -87.5 درجة مئوية 5722 ميجا باسكال | -71.9 درجة مئوية 309 ميجا باسكال | -70.7 درجة مئوية 0.060 |
| 2 | 26.2 درجة مئوية 3018 ميجا باسكال | 51.7 درجة مئوية 187 ميجا باسكال | 68.1 درجة مئوية 0.138 |
من خلال الأشكال من 2 إلى 4، من المهم أيضًا النظر في تأثير درجة الحرارة على الأداء اللزج-المرن للأوتار. عادةً ما تُمارس رياضة البادمينتون في الصالات المغلقة، ولكن ماذا عن لعبها في الهواء الطلق؟
يوضح الشكل 5 المنحنى الحراري للعينة 1 من 0 إلى 50 درجة مئوية. ففي يوم خريفي بارد تبلغ درجة الحرارة فيه 4 درجات مئوية، تكون الأوتار أكثر صلابة بمقدار 2.3 مرة مقارنةً بدرجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية)، أو أكثر صلابة بمقدار 3.0 مرة مقارنةً بيوم صيفي حار تبلغ درجة الحرارة فيه 35 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن معامل التخميد لا يتبع نفس الاتجاه بالضبط، حيث يكون أعلى بمقدار 1.1 مرة فقط عند 4 درجات مئوية مقارنة بـ 25 درجة مئوية، وأعلى بمقدار 1.3 مرة عند 4 درجات مئوية مقارنة بـ 35 درجة مئوية. لذلك، على الرغم من أن الأوتار ستكون أكثر صلابة وتُظهر مرونة أقل عند ضرب الكرة، فإن كمية الطاقة التي تمتصها الأوتار، والتي لا تنتقل إلى الضربة، ستظل متشابهة.
يتمثل أحد الاعتبارات الرئيسية في هذه الاختبارات في فهم كيفية تصرف أوتار كرة الريشة في الاستخدام المقصود منها. لذلك، تم اختبار العينات الثلاث نفسها في اختبار الانحناء ثلاثي النقاط لفهم خصائصها الانحنائية (مسافة انحناء تبلغ 20 مم لتحليل مقطع محدود من نمط شبكة المضرب الكلي)، لمحاكاة كيفية تصرفها عند تثبيتها على المضرب واستخدامها لضرب الكرة. يُظهر الشكل 6 إعداد الاختبار مع شد الخيط بشدة أثناء الانحناء.
لاختبار الأداء في اختبار الانحناء ثلاثي النقاط، أُجريت عمليتا مسح تحميل مختلفتان في درجة حرارة الغرفة لقياس الخصائص. ويوضح الشكل 7 تأثير زيادة التشوه الديناميكي (الذي ظل أقل من 0.7 نيوتن).
يوضح الشكل 8 التغير في طول العينات كدالة لزيادة القوة.
يتضح من الشكل 7 أنه في درجة حرارة الغرفة يوجد تباين واضح في الخصائص الميكانيكية للأوتار الثلاثة. عند سعة توضيحية تبلغ 50 ميكرومتر، تُظهر العينة 1 أدنى قيم لمعامل المرونة (E’ = 89.6 جيجا باسكال، E” = 12.2 جيجا باسكال)، بينما تُظهر العينة 2 أعلى القيم (E’ = 118.1 جيجا باسكال، E” = 10.3 جيجا باسكال)، بينما تقع العينة 3 في الوسط (E’ = 101.6 جيجا باسكال، E” = 9.5 جيجا باسكال). وبالنظر إلى أن معامل التخميد هو نسبة معامل الفقد إلى معامل التخزين، فإن ذلك يعني أن العينة 1 تتمتع بأعلى خصائص التخميد (0.14)، تليها العينة 3 (0.09)، ثم العينة 2 (0.09). لا تتطابق هذه القيم بشكل مباشر مع تلك التي أوردتها الشركة المصنعة في الجدول 1، ولكن من المهم جدًّا مراعاة كيفية تأثير المعلمات اللزجة المرنة الثلاثة جميعها على الأداء، ومدى أهمية درجة الحرارة التي أُجريت عندها الاختبارات، كما يوضح الشكل 5.
وأخيرًا، يتضح من الشكل 8 التغير في طول العينة مع زيادة القوة الديناميكية. ويُعد هذا عاملاً مهمًا في تحديد مقدار القوة التي يمكن لعنصر خيطي واحد تحملها دون حدوث تشوه ملحوظ. تُظهر العينة 3 أكبر قدر من التشوه، مما يشير إلى أنها على الأرجح الأقل متانة بين العينات الثلاث بسبب ميلها إلى التشوه (تتوافق هذه النتيجة مع الجدول 1). من المهم ملاحظة أنه بالنسبة لهذه العينات التي خضعت لاختبار الانحناء ثلاثي النقاط، فقد تم شدها يدويًا، مما قد يزيد من التباين بين القياسات المطلقة.
ملخص
أحدث تطوير البوليمرات ومركبات البوليمرات عالية الأداء ثورة في عالم المعدات الرياضية. وفي هذا المقال، أوضحنا كيف يمكن استخدام جهاز DMA 303 من شركة « NETZSCH » Eplexor® لتقييم ومقارنة ومحاكاة أداء ثلاثة أنواع مختلفة من خيوط كرة الريشة عبر مجموعة من المعلمات. تم إجراء اختبارات التدرج الحراري لتحديد درجات حرارة التحول للعينات الثلاث، وكذلك لتقييم أدائها عند درجات الحرارة المختلفة التي قد تتعرض لها في الهواء الطلق. كما أُجريت اختبارات التحميل المتدرج لتقييم الخصائص الميكانيكية للأوتار في درجة حرارة الغرفة، وكذلك لفهم أدائها عند تعرضها لحمل مطبق في الاتجاه الذي تضرب فيه الأوتار الكرة.