Generalização das curvas de forças de materiais com relaxação exponencial e lei de potência
| Ano de defesa: | 2023 |
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| Palavras-chave em Português: | |
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Resumo: | We studied the behavior of the relaxation function of viscoelastic materials subjected to rigid indenters. Viscoelastic materials generally exhibit exponential or power-law decays that depend on the geometry of the mechanical contact between the indenter and the sample. We propose a mechanical circuit composed of a fractional element and a standard linear solid connected in parallel. The standard linear solid element exhibits exponential relaxations as those found in soft materials like foam or synthetic materials. Fractional calculus has been applied to various physical phenomena, sometimes with more success than traditional calculus, which presents integer order derivatives. Fractional elements, for example, can describe power-law viscoelastic materials, as occurs, for example, in living cells. Our analytical model leads to generalized equations capable of reproducing the two most common types of temporal decay found in viscoelastic materials. In addition, our model considers indenters with different geometries, the most common being conical, spherical, and cylindrical. We analyze the contact force curves while the sample is deformed (called the loading force curve) or the indentation is kept constant (called the dwell force curve). In the latter case, the material relaxes due to an energy minimization process that decreases the response force. Force measurements are used to investigate different soft materials. The relaxation decay is related to the composition of those materials, which can identify faults. In the case of cells, for instance, the change in the rheological behavior is associated with the emergence of pathologies such as cancer and other diseases. Our work allows a generalized analytical interpretation of the force curves, where the sample's mechanical properties and the indenter's geometry are parameters regulated in the same equation. |
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Pabón Rodríguez, Laura MaríaOliveira, Cláudio Lucas Nunes de2023-07-20T19:59:00Z2023-07-20T19:59:00Z2023PABÓN RODRÍGUEZ, L. M. Generalização das curvas de forças de materiais com relaxação exponencial e lei de potência. 2023. 60 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/73640We studied the behavior of the relaxation function of viscoelastic materials subjected to rigid indenters. Viscoelastic materials generally exhibit exponential or power-law decays that depend on the geometry of the mechanical contact between the indenter and the sample. We propose a mechanical circuit composed of a fractional element and a standard linear solid connected in parallel. The standard linear solid element exhibits exponential relaxations as those found in soft materials like foam or synthetic materials. Fractional calculus has been applied to various physical phenomena, sometimes with more success than traditional calculus, which presents integer order derivatives. Fractional elements, for example, can describe power-law viscoelastic materials, as occurs, for example, in living cells. Our analytical model leads to generalized equations capable of reproducing the two most common types of temporal decay found in viscoelastic materials. In addition, our model considers indenters with different geometries, the most common being conical, spherical, and cylindrical. We analyze the contact force curves while the sample is deformed (called the loading force curve) or the indentation is kept constant (called the dwell force curve). In the latter case, the material relaxes due to an energy minimization process that decreases the response force. Force measurements are used to investigate different soft materials. The relaxation decay is related to the composition of those materials, which can identify faults. In the case of cells, for instance, the change in the rheological behavior is associated with the emergence of pathologies such as cancer and other diseases. Our work allows a generalized analytical interpretation of the force curves, where the sample's mechanical properties and the indenter's geometry are parameters regulated in the same equation.Nós estudamos o comportamento da função relaxação de materiais viscoelásticos submetidos a indentadores rígidos. Materiais viscoelásticos geralmente apresentam decaimentos exponenciais ou em lei de potência que dependem da geometria do contato mecânico entre o indentador e a amostra. Nós então propomos um circuito mecânico composto por um elemento fracionário e um sólido linear padrão conectados em paralelo. O elemento sólido linear padrão é conhecido por apresentar relaxações exponenciais, encontrados em materiais macios como espuma ou materiais sintéticos. O cálculo fracionário tem sido aplicado a vários fenômenos físicos, algumas vezes com mais sucesso do que o cálculo tradicional, que apresenta derivadas de ordem inteira. Elementos fracionários, por exemplo, podem descrever materiais viscoelásticos em leis de potência, como ocorre, por exemplo, em células vivas. Nosso modelo analítico leva a equações generalizadas capazes de reproduzir os dois tipos mais comuns de decaimento temporal encontrados em materiais viscoelásticos. Além disso, nosso modelo leva em consideração indentadores com diferentes geometrias, as mais comuns sendo a cônica, esférica e cilíndrica. Nós analisamos as curvas de força de contato enquanto a amostra é deformada (chamada de curva de força de loading) ou enquanto a indentação é mantida constante (chamada de curva de força de dwell). No último caso, o material relaxa devido a um processo de minimização energética que diminui a força de resposta. Medidas de força são usadas para investigar diferentes materiais macios. O decaimento de relaxação está relacionado à composição desses materiais, podendo identificar falhas. No caso de células, por exemplo, a mudança nesse comportamento reológico está associada ao surgimento de patologias como o câncer e outras dienças. Nosso trabalho permite uma interpretação analítica generalizada das curvas de força, onde as propriedades mecânicas da amostra e a geometria do indentador são parâmetros regulados numa mesma equação.ViscoelasticidadeCalculo fracionárioModelo HíbridoModelo FracionárioGeneralização das curvas de forças de materiais com relaxação exponencial e lei de potênciainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFCinfo:eu-repo/semantics/openAccessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/73640/6/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD56ORIGINAL2023_dis_lmpabonrodriguez.pdf2023_dis_lmpabonrodriguez.pdfapplication/pdf1314087http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/73640/7/2023_dis_lmpabonrodriguez.pdf95a94ab71f454ec4a9ee1a0714fa0b32MD57riufc/736402023-07-20 16:59:35.767oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2023-07-20T19:59:35Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
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