The measurement of low friction forces in joint cartilage by the oscillating micro-tribometer

This paper presents a new method for measuring the Iow magnitude friction forces in miniature mechanical systems (MEMS) and bio-joints. It provides a basis for facilitating the control of frietion and visco-elastic properties of biomaterials, especially for cartilage tissue. This method is based on experimental of vibrations of a tuning fork actuator with ball indenter and sensor that is directed parallel to the sample surface. A tuning piezoelectric fork device is introduced for exciting the system, when simultaneously it is used as a sensor. Variations of vibration parameters are induced through the energy dissipation of the indenter system that has the same friction force and visco-elastic behaviour as the sample. The behaviour of the cartilage tissue under the influence of multi-cyclic friction by steel ball micro-indenter is investigated. The influence of factors of the increase of loading, the time of friction and the process of drying of a tissue was studied.

---

Niniejsza praca przedstawia nową metodę pomiaru małych wartości sił tarcia występujących w miniaturowych układach mechanicznych typu (MEMS) oraz w biołożyskach. Metoda ta stanowi podstawę w zakresie ułatwienia sterowania siłami tarcia oraz pomiarem lepkosprężystych właściwości biomateriałów, a szczególnie chrząstki stawowej. Metoda pomiaru bazuje na generatorze kamertonowym z kulistym wgłębnikiem twardościomierza, a także z czujnikiem ukierunkowanym równolegle do próbki badanej powierzchni. Piezoelektryczne widełki stroikowe są wprowadzone do pobudzenia układu, a jednocześnie spełniają rolę czujnika. Parametry drgań wprowadza się poprzez energię dyssypacji systemu wgłębnika twardościomierza, na którym występują takie same siły tarcia oraz własności lepkosprężyste, jak na próbce badanej powierzchni. W pracy badane są zachowania chrząstki stawowej w warunkach wielocyklicznych sił tarcia na powierzchni stalowej kulki wgłębnika twardościomierza. Przeprowadzono stadium wpływu na pomiary takich czynników, jak wzrost obciążenia oraz czas procesu tarcia. Te dwa czynniki mają decydującą rolę w zmniejszaniu sił tarcia. Pozytywny efekt w unowocześnieniu warstwy wierzchniej jest upatrywany poprzez zużycie mechaniczne przy rekonstrukcji funkcjonujących sił tarcia.