stringtranslate.com

Явление прилипания-скольжения

Знакомый скрип баскетбольных кроссовок на деревянной баскетбольной площадке вызван движением скачком и скольжением.

Явление прилипания-скольжения , также известное как явление скольжения-прилипания или просто прилипания-прилипания , представляет собой тип движения, демонстрируемый объектами, находящимися в контакте и скользящими друг по другу. Движение этих объектов обычно не идеально гладкое, а скорее нерегулярное, с кратковременными ускорениями (скольжениями), прерываемыми остановками (застреваниями). Движение прилипания-скольжения 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, движение прилипания-скольжения может быть полезным в некоторых ситуациях, таких как движение смычка по струне для создания музыкальных тонов в смычковом инструменте . [2]

Подробности

Статическое кинетическое трение в зависимости от времени

При скачке-скольжении обычно наблюдается неровный тип поведения силы трения как функции времени, как показано на рисунке статического кинетического трения. Первоначально движение относительно небольшое, и сила растет, пока не достигнет некоторого критического значения, которое устанавливается путем умножения статического коэффициента трения и приложенной нагрузки — здесь тормозящая сила следует стандартным идеям трения из законов Амонтона . Как только эта сила превышена, движение начинается при гораздо более низкой нагрузке, которая определяется кинетическим коэффициентом трения , который почти всегда меньше статического коэффициента. Иногда движущийся объект может «застрять» с локальным ростом силы, прежде чем он снова начнет двигаться. Существует много причин этого в зависимости от масштаба размера, от атомных до процессов, в которых участвуют миллионы атомов. [3] [4]

Модель для скачкообразного движения

Скольжение-застревание можно смоделировать как массу, соединенную упругой пружиной с постоянной движущей силой (см. эскиз модели). Приводная система V прикладывает постоянную силу, нагружая пружину R и увеличивая толкающую силу против нагрузки M. Эта сила увеличивается до тех пор, пока не будет превышена тормозящая сила от статического коэффициента трения между нагрузкой и полом. Затем нагрузка начинает скользить, а 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 разжимающаяся пружина не сможет больше генерировать достаточную силу для преодоления динамического трения, и нагрузка перестает двигаться. Толкающая сила из-за пружины снова нарастает, и цикл повторяется. [1] [2]

Слипание-скольжение может быть вызвано многими различными явлениями, в зависимости от типов контактирующих поверхностей, а также масштаба; оно происходит со всем, от скольжения наконечников атомно-силового микроскопа до больших трибометров . Для шероховатых поверхностей известно, что неровности играют важную роль в трении . [5] Соударение неровностей на поверхности создает кратковременные застревания. Для сухих поверхностей с регулярным микроскопическим рельефом двум поверхностям может потребоваться ползти с высоким трением на определенные расстояния (чтобы неровности двигались мимо друг друга), пока не образуется более гладкий контакт с меньшим трением. На смазанных поверхностях смазочная жидкость может претерпевать переходы из твердого состояния в жидкое состояние при определенных силах, вызывая переход от прилипания к скольжению. [1] На очень гладких поверхностях поведение прилипания-скольжения может быть результатом связанных фононов (на границе между подложкой и ползунком), которые закреплены в волнообразной потенциальной яме, прилипая или скользя при тепловых колебаниях . [6] Скольжение-прерывание происходит на всех типах материалов и в чрезвычайно разных масштабах длины. [7] Частота скольжения зависит от силы, приложенной к скользящей нагрузке, причем более высокая сила соответствует более высокой частоте скольжения. [8]

Примеры

Движение скачками и скольжениями 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] Движение скачками и скольжения также наблюдалось в суставном хряще в условиях умеренной нагрузки и скольжения, что могло привести к абразивному износу хряща. [10] Многие знакомые звуки вызваны движением скачками и скольжениями, например, визг мела на доске , скрип баскетбольных кроссовок на баскетбольной площадке и звук, издаваемый лангустом . [ 8] [11] [12]

Движение прилипания-скольжения используется для создания музыкальных нот в смычковых струнных инструментах [2] , стеклянной арфе [13] и поющей чаше [14] .

Скольжение-прерывание можно также наблюдать в атомном масштабе с помощью микроскопа силы трения . [15] Поведение сейсмически активных разломов также объясняется с помощью модели скольжения-прерывания, при этом землетрясения возникают в периоды быстрого скольжения. [16]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Берман, AD; Дакер, WA; Израэлашвили, JN (1996). «Происхождение и характеристика различных механизмов прерывистого скольжения». Langmuir . 12 (19): 4559–4563. doi :10.1021/la950896z.
  2. ^ abc Грешам, Роберт М. "Slip–stick: What's it all about?" (PDF) . Трибология и технология смазки . Общество трибологов и инженеров по смазке . Получено 2023-10-01 .
  3. ^ Перссон, Бо Н. Дж. (1998). Трение скольжения. Нанонаука и технология. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. doi :10.1007/978-3-662-03646-4. ISBN 978-3-662-03648-8.
  4. ^ Gnecco, Enrico; Meyer, Ernst (2015). Элементы теории трения и нанотрибологии . Кембридж: Cambridge university press. ISBN 978-1-107-00623-2.
  5. ^ Боуден, Фрэнк Филип; Табор, Дэвид (2008). Трение и смазка твердых тел. Oxford classic texts (Повторное издание). Oxford: Clarendon Pr. ISBN 978-0-19-850777-2.
  6. ^ Бо Н. Дж. Перссон и Николас Д. Спенсер, «Трение скольжения: физические принципы и приложения», Physics Today 52(1), 66 (1999); doi: 10.1063/1.882557
  7. ^ Руина, Энди. «Неустойчивость скольжения и законы трения переменного состояния», Журнал геофизических исследований 88.B12 (1983): 10359-10
  8. ^ ab Рабинович, Эрнест (май 1956 г.). «Stick and Slip». Scientific American . 194 (5): 109–119. doi :10.1038/scientificamerican0556-109.
  9. ^ Дин, Вэньцзин (2010). Самовозбуждающиеся колебания . Springer Berlin, Гейдельберг. С. 140–166. doi :10.1007/978-3-540-69741-1. ISBN 978-3-540-69741-1.
  10. ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, Прерывистое трение и износ суставных соединений , PNAS. (2013), 110(7): E567-E574
  11. ^ SN Patek (2001). «Колючие лангусты прилипают и скользят, чтобы издать звук». Nature . 411 (6834): 153–154. Bibcode :2001Natur.411..153P. doi :10.1038/35075656. PMID  11346780. S2CID  4413356.
  12. ↑ Бранч, Джон (17.03.2017). «Почему баскетбольные игры такие скрипучие? Рассмотрим лангуста». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 19.03.2017 .
  13. ^ Россинг, Томас Д. (1994). «Акустика стеклянной гармоники». Журнал Акустического общества Америки . 95 (2): 1106–1111. doi :10.1121/1.408458.
  14. ^ Коллин, Саманта Р.; Кифер, Хлоя Л. и Мур, Томас Р. (16–19 сентября 2015 г.). «Этиология болтовни в гималайской поющей чаше» (PDF) . Труды Третьей венской конференции по музыкальной акустике . Преодоление пробелов. 138 (3): 120–123. Bibcode : 2015ASAJ..138.1888K. doi : 10.1121/1.4933928.{{cite journal}}: CS1 maint: формат даты ( ссылка )
  15. ^ Трение в атомном масштабе вольфрамового наконечника о поверхность графита CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson и S. Chiang Phys. Rev. Lett. 59 , 1942 (1987)
  16. ^ Шольц, CH (2002). Механика землетрясений и разломов (2-е изд.). Cambridge University Press. С. 81–84. ISBN 978-0-521-65540-8. Получено 6 декабря 2011 г.

Внешние ссылки