Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Явление прилипания-скольжения , также известный как смещать-палки явления или просто прилипания-скольжения , является спонтанное движение подергивания , что может произойти во время два объекта скольжения друг над другом.

Причина

Ниже приводится простое эвристическое описание явления скачкообразного движения с использованием классической механики , которое актуально для технических описаний. Однако на самом деле в академических кругах нет единого мнения относительно фактического физического описания скачкообразного движения, что связано с отсутствием понимания явлений трения в целом. Все согласны с тем, что прерывистое скольжение является результатом обычного фононногомоды (на границе между подложкой и ползунком), которые закреплены в волнообразном ландшафте потенциальной ямы, которые открепляются (проскальзывают) и закрепляют (заедают), в первую очередь, под влиянием тепловых флуктуаций. Тем не менее, трение при прерывистом скольжении встречается в широком диапазоне масштабов длины от атомного до тектонического, и не существует единого физического механизма, ответственного за все проявления.

Жесткость пружины (показана на изображении ниже), нормальная нагрузка на границе раздела (вес ползуна), продолжительность существования границы раздела (влияющая на химический массоперенос и образование связи), исходная скорость (скорость) скольжения (когда слайдер находится в фазе скольжения) - все это влияет на поведение системы. [1] Описание с использованием общих фононов (а не основных законов, таких как модель трения Кулона) обеспечивает объяснение шума, который обычно сопровождает прерывистое скольжение через поверхностные акустические волны. Использование сложных конститутивных моделей, которые приводят к разрывным решениям (см. Парадокс Пенлеве) в конечном итоге требуют ненужных математических усилий (для поддержки негладких динамических систем) и не представляют истинного физического описания системы. Однако такие модели очень полезны для моделирования и анимации с низкой точностью.

Техническое описание

Прерывистое скольжение можно описать как поверхности, чередующиеся между прилипанием друг к другу и скольжением друг по другу с соответствующим изменением силы трения . Обычно коэффициент статического трения (эвристическое число) между двумя поверхностями больше, чем кинетический коэффициент трения . Если приложенная сила достаточно велика для преодоления трения покоя, то уменьшение трения до кинетического трения может вызвать внезапный скачок скорости движения. [2] На прилагаемом рисунке символически показан пример прерывистого скольжения.

Stick-slip.svg

V - это приводная система, R - упругость системы, а M - нагрузка, которая лежит на полу и толкается горизонтально. Когда приводная система запускается, пружина R нагружена, и ее толкающая сила против нагрузки M увеличивается до тех пор, пока коэффициент статического трения между нагрузкой M и полом больше не сможет удерживать нагрузку. Нагрузка начинает скользить, и коэффициент трения уменьшается от статического до динамического. В этот момент пружина может дать больше силы и ускорить M. Во время движения M сила пружины уменьшается до тех пор, пока она не становится недостаточной для преодоления динамического трения. С этого момента M замедляется до полной остановки. Однако система привода продолжает работать, пружина снова нагружается и т. Д.

Примеры

Примеры прерывистого скольжения можно услышать из гидравлических цилиндров , тракторные мокрых тормозов, хонинговальные машины и т.д. Специальные аэролаки могут быть добавлены к гидравлической жидкости или охлаждающей текучей среде , чтобы преодолеть или свести к минимуму эффекта скачкообразного. Прерывистое скольжение также наблюдается на токарных станках, фрезерных станках и другом оборудовании, где что-то скользит по направляющей. Масла для направляющих скольжения обычно включают «предотвращение прерывистого скольжения» как одну из своих характеристик. Другие примеры явления прерывистого скольжения включают музыку, исходящую от смычковых инструментов , шум автомобильных тормозов и шин и шум останавливающегося поезда.. Также наблюдается прерывистое скольжение суставного хряща в условиях умеренной нагрузки и скольжения, что может привести к абразивному износу хряща. [3]

Другой пример явления прерывистого скольжения возникает, когда музыкальные ноты играются на стеклянной арфе , когда влажный палец протирает край хрустального бокала. Одно животное, которое издает звук, используя трение при прерывистом скольжении, - это колючий омар, который трется усиками о гладкие поверхности головы. [4] Другой, более распространенный пример, который производит звук с помощью трения скачкообразного движения, - кузнечик .

Скачок-проскальзывание можно также наблюдать в атомном масштабе с помощью микроскопа силы трения . [5] В таком случае явление можно интерпретировать с помощью модели Томлинсона .

Поведение сейсмически активных разломов также объясняется с помощью модели скачкообразного движения , при этом землетрясения возникают в периоды быстрого сдвига. [6]

Характерный звук баскетбольных кроссовок на площадке возникает из-за прерывистого контакта резиновой подошвы с деревянным полом. [7]

Прерывистое проскальзывание - это основной физический механизм активного контроля трения путем приложения вибраций. [8]

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали рой самосворачивающихся роботов - оригами, которые используют явление прерывистого скольжения для передвижения. [9]

Очевидное прерывистое скольжение может наблюдаться даже в системе, не имеющей силы статического трения («динамическое трение») [10]

Ссылки

  1. ^ F. Heslot, T. Baumberger, B. Perrin, B. Caroli и C. Caroli, Phys. Ред. E 49, 4973 (1994) Трение скольжения: физические принципы и приложения - Бо Н.Дж. Перссон Руина, Энди. «Неустойчивость скольжения и государственные законы переменного трения». Журнал геофизических исследований 88.B12 (1983): 10359-10
  2. ^ Клигерман, Y .; Варенберг, М. (2014). «Устранение скачкообразного движения при скольжении по расщепленной или шероховатой поверхности». Письма о трибологии . 53 (2): 395–399. DOI : 10.1007 / s11249-013-0278-8 .
  3. ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, прерывистое трение и износ суставов , PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
  4. ^ SN Patek (2001). «Колючие лобстеры прилипают и скользят, чтобы издать звук». Природа . 411 (6834): 153–154. Bibcode : 2001Natur.411..153P . DOI : 10.1038 / 35075656 . PMID 11346780 . 
  5. ^ Трение вольфрамового наконечника на поверхности графита на атомном уровне. CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson, S. Chiang Phys. Rev. Lett. 59 , 1942 (1987)
  6. Перейти ↑ Scholz, CH (2002). Механика землетрясений и разломов (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 81–84. ISBN 978-0-521-65540-8. Проверено 6 декабря 2011 года .
  7. ^ Бранч, Джон (2017-03-17). «Почему баскетбольные игры такие скрипучие? Рассмотрим колючего омара» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 19 марта 2017 . 
  8. ^ Попов, М .; Попов, ВЛ; Попов, Н.В. (01.03.2017). «Снижение трения за счет нормальных колебаний. I. Влияние контактной жесткости». Трение . 5 (1): 45–55. arXiv : 1611.07017 . DOI : 10.1007 / s40544-016-0136-4 .
  9. ^ Уэстон-Доукс, Уильям П .; Онг, Аарон С .; Маджит, Мохамад Рамзи Абдул; Джозеф, Фрэнсис; Толли, Майкл Т. (2017). «На пути к быстрой механической настройке самосворачивающихся агентов сантиметрового масштаба». 2017 Международная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) . С. 4312–4318. DOI : 10.1109 / IROS.2017.8206295 . ISBN 978-1-5386-2682-5.
  10. ^ Накано, K; Попов, ВЛ (2020-12-10). «Динамическое трение без трения покоя: роль вращения вектора трения» . Physical Review E . 102 (6): 063001. DOI : 10,1103 / PhysRevE.102.063001 .
  • Zypman, FR; Ferrante, J .; Jansen, M .; Scanlon, K .; Абель, P. (2003), "Доказательство САМООРГАНИЗОВАННОЙ критичности в сухом трении скольжения", журнал физика: конденсированные среды , 15 (12): L191, DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 15/12/101

Внешние ссылки

  • Моделирование прерывистого скольжения в микроскопе силы трения (фильм)
  • Цзяньго Ву, Эшли Мартини, «Атомный стик-скольжение», DOI: 10254 / nanohub-r7771.1, 2009 г.
  • Уэстон-Доукс У. и др., «Разработка настраиваемых самоскладывающихся роевых роботов», 2017 г.