Явление прилипания-скольжения
Феномен прилипания-скольжения , также известный как феномен скольжения-прилипания или просто прилипания-скольжения , представляет собой тип движения, демонстрируемый контактирующими объектами, скользящими друг по другу. Движение этих объектов обычно не идеально плавное, а скорее нерегулярное, с краткими ускорениями (скольжениями), прерываемыми остановками (залипаниями). Прерывистое движение обычно связано с трением и может вызывать вибрацию (шум) или быть связано с механическим износом движущихся объектов и поэтому часто нежелательно в механических устройствах. [1] С другой стороны, в некоторых ситуациях скачкообразное движение может быть полезно, например, при движении смычка по струне для создания музыкальных тонов в смычковом струнном инструменте . [2]
Подробности
[ редактировать ]
При прерывистом скольжении сила трения обычно меняется в зависимости от времени, как показано на статической кинетической фигуре трения. Первоначально движение относительно небольшое, и сила растет, пока не достигнет некоторого критического значения, которое устанавливается путем умножения коэффициента статического трения и приложенной нагрузки - тормозящая сила здесь соответствует стандартным представлениям о трении из законов Амонтона . Как только эта сила превышена, движение начинается при гораздо меньшей нагрузке, которая определяется кинетическим коэффициентом трения , который почти всегда меньше статического коэффициента. Иногда движущийся объект может «застревать» с локальным увеличением силы, прежде чем он снова начнет двигаться. Существует множество причин этого в зависимости от масштаба размеров: от атомных до процессов, в которых участвуют миллионы атомов. [3] [4]
Прилипание-скольжение можно смоделировать как массу, соединенную упругой пружиной с постоянной движущей силой (см. эскиз модели). Система привода V прикладывает постоянную силу, нагружая пружину R и увеличивая толкающую силу, противодействующую нагрузке M. Эта сила увеличивается до тех пор, пока не будет превышена тормозящая сила, возникающая из-за коэффициента статического трения между грузом и полом. Затем груз начинает скользить, и коэффициент трения уменьшается до значения, соответствующего нагрузке, умноженной на динамическое трение . Поскольку эта сила трения будет ниже статического значения, нагрузка ускоряется до тех пор, пока разжимающая пружина больше не сможет создавать достаточную силу для преодоления динамического трения, и груз перестанет двигаться. Толкающая сила пружины снова возрастает, и цикл повторяется. [1] [2]
Прерывистое скольжение может быть вызвано множеством различных явлений, в зависимости от типов контактирующих поверхностей, а также масштаба; это происходит со всем: от скольжения кончиков атомно-силовых микроскопов до больших трибометров . Известно, что шероховатые поверхности играют важную роль в трении . [5] Столкновения неровностей на поверхности создают мгновенные заедания. Для сухих поверхностей с регулярной микроскопической топографией двум поверхностям, возможно, придется скользить с высоким трением на определенные расстояния (чтобы неровности проходили мимо друг друга), пока не образуется более гладкий контакт с меньшим трением. На смазываемых поверхностях смазочная жидкость может подвергаться переходу из твердоподобного состояния в жидкоподобное при определенных силах, вызывая переход от прилипания к скольжению. [1] На очень гладких поверхностях поведение скачкообразного движения может быть результатом связанных фононов (на границе раздела между подложкой и ползунком), которые закреплены в волнистой потенциальной яме, прилипая или скользя при тепловых флуктуациях . [6] Прилипание-скольжение происходит на всех типах материалов и в самых разных масштабах длины. [7] Частота проскальзывания зависит от силы, приложенной к скользящей нагрузке: более высокая сила соответствует более высокой частоте скольжения. [8]
Примеры
[ редактировать ]Движение скачкообразного движения повсеместно встречается в системах со скользящими компонентами, такими как дисковые тормоза , подшипники , электродвигатели, колеса на дорогах или железных дорогах, а также в механических соединениях . [9] Прерывистое скольжение также наблюдалось в суставном хряще в условиях легкой нагрузки и скольжения, что могло привести к абразивному износу хряща. [10] Многие знакомые звуки вызываются скачкообразными движениями, например, визг мела на классной доске , скрип баскетбольных кроссовок на баскетбольной площадке и звук, издаваемый лангустом . [8] [11] [12]
Движение Stick-slip используется для создания звука в нескольких типах музыкальных инструментов, особенно в смычковых струнных инструментах. [2] но и в стеклянной арфе . [13]
Прилипание-скольжение также можно наблюдать на атомном уровне с помощью микроскопа силы трения . [14] Поведение сейсмически активных разломов также объясняется с помощью модели скачкообразных сдвигов, при этом землетрясения генерируются в периоды быстрых сдвигов. [15]
См. также
[ редактировать ]- Контактная механика - Исследование деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
- Трение – сила, противодействующая скольжению.
- Смазка – наличие материала, уменьшающего трение между двумя поверхностями.
- Нанотрибология - Исследование явлений трения, износа, адгезии и смазки на наноуровне.
- Трибология - наука и инженерия взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
- Трибометр - прибор, измеряющий трение и износ между поверхностями.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Берман, AD; Дакер, Вашингтон; Исраэлачвили, Дж. Н. (1996). «Происхождение и характеристика различных механизмов трения прерывисто-скольжения». Ленгмюр . 12 (19): 4559–4563. дои : 10.1021/la950896z .
- ^ Перейти обратно: а б с Грешем, Роберт М. «Скольжение: в чем дело?» (PDF) . Трибология и технология смазки . Общество трибологов и инженеров смазочных материалов . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Перссон, Бо, Нью-Джерси (1998). Скользящее трение . Нанонаука и технологии. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-662-03646-4 . ISBN 978-3-662-03648-8 .
- ^ Ньекко, Энрико; Мейер, Эрнст (2015). Элементы теории трения и нанотрибологии . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00623-2 .
- ^ Боуден, Фрэнк Филип; Табор, Дэвид (2008). Трение и смазка твердых тел . Оксфордские классические тексты (ред.). Оксфорд: Кларендон Пр. ISBN 978-0-19-850777-2 .
- ^ Бо Н. Дж. Перссон и Николас Д. Спенсер, «Трение скольжения: физические принципы и приложения», Physics Today 52 (1), 66 (1999); дои: 10.1063/1.882557
- ^ Руина, Энди. «Неустойчивость скольжения и законы переменного трения», Journal of Geophysical Research 88.B12 (1983): 10359-10.
- ^ Перейти обратно: а б Рабинович, Эрнест (май 1956 г.). «Прилипай и скользи». Научный американец . 194 (5): 109–119. doi : 10.1038/scientificamerican0556-109 .
- ^ Дин, Вэньцзин (2010). Самовозбуждающаяся вибрация . Шпрингер Берлин, Гейдельберг. стр. 140–166. дои : 10.1007/978-3-540-69741-1 . ISBN 978-3-540-69741-1 .
- ^ Д. В. Ли, X. Банки, Дж. Н. Исраелачвили, Трение «прилипания-скольжения» и износ суставных суставов , PNAS. (2013), 110(7): E567-E574
- ^ С. Н. Патек (2001). «Колючие омары прилипают и скользят, издавая звук». Природа . 411 (6834): 153–154. Бибкод : 2001Natur.411..153P . дои : 10.1038/35075656 . PMID 11346780 . S2CID 4413356 .
- ^ Бранч, Джон (17 марта 2017 г.). «Почему баскетбольные игры такие скрипучие? Возьмем, к примеру, лангуста» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 19 марта 2017 г.
- ^ Россинг, Томас Д. (1994). «Акустика стеклянной гармоники». Журнал Акустического общества Америки . 95 (2): 1106–1111. дои : 10.1121/1.408458 .
- ^ Трение вольфрамового наконечника на графитовой поверхности на атомном уровне CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson и S. Chiang Phys. Преподобный Летт. 59 , 1942 (1987)
- ^ Шольц, CH (2002). Механика землетрясений и разломов (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 81–84. ISBN 978-0-521-65540-8 . Проверено 6 декабря 2011 г.