Friktion - Friction

Figur 1: Simulerede blokke med fraktale ru overflader, der udviser statiske friktionsinteraktioner

Friktion er den kraft, der modstår den relative bevægelse af faste overflader, væskelag og materialeelementer, der glider mod hinanden. Der er flere typer friktion:

  • Tør friktion er en kraft, der modsætter sig den relative laterale bevægelse af to faste overflader i kontakt. Tør friktion er opdelt i statisk friktion (" stiktion ") mellem ikke-bevægelige overflader og kinetisk friktion mellem bevægelige overflader. Med undtagelse af atom- eller molekylær friktion opstår tør friktion generelt fra interaktionen mellem overfladeegenskaber, kendt som asperiteter (se figur 1).
  • Væskefriktion beskriver friktionen mellem lag af et viskøst væske, der bevæger sig i forhold til hinanden.
  • Smurt friktion er et tilfælde af væskefriktion, hvor et smøremiddelvæske adskiller to faste overflader.
  • Hudfriktion er en komponent i træk , kraften, der modstår en væskes bevægelse hen over overfladen af ​​et legeme.
  • Intern friktion er den kraft, der modstår bevægelse mellem elementerne, der udgør et fast materiale, mens det undergår deformation .

Når overflader i kontakt bevæger sig i forhold til hinanden, konverterer friktionen mellem de to overflader kinetisk energi til termisk energi (det konverterer arbejde til varme ). Denne ejendom kan have dramatiske konsekvenser, som illustreret ved brug af friktion skabt ved at gnide træstykker sammen for at starte en brand. Kinetisk energi omdannes til termisk energi, når der opstår bevægelse med friktion, for eksempel når en viskøs væske omrøres. En anden vigtig konsekvens af mange typer friktion kan være slid , hvilket kan føre til forringelse af ydeevnen eller beskadigelse af komponenter. Friktion er en komponent i videnskaben om tribologi .

Friktion er ønskelig og vigtig for at levere trækkraft for at lette bevægelse på land. De fleste landkøretøjer er afhængige af friktion for acceleration, deceleration og ændring af retning. Pludselige reduktioner i vejgrebet kan forårsage tab af kontrol og ulykker.

Friktion er ikke i sig selv en grundlæggende kraft . Tør friktion opstår ved en kombination af klæbning mellem overflader, ru overflade, overflade deformation og overfladeforurening. Kompleksiteten af ​​disse interaktioner gør beregningen af ​​friktion ud fra de første principper upraktisk og nødvendiggør brug af empiriske metoder til analyse og udvikling af teori.

Friktion er en ikke-konservativ kraft -arbejde mod friktion er vejafhængigt. I tilstedeværelse af friktion omdannes noget kinetisk energi altid til termisk energi, så mekanisk energi bevares ikke.

Historie

Grækerne, herunder Aristoteles , Vitruvius og Plinius den Ældre , var interesserede i årsag og lindring af friktion. De var klar over forskelle mellem statisk og kinetisk friktion med Themistius i 350 e.Kr., at "det er lettere at fremme bevægelsen af ​​et bevægeligt legeme end at bevæge et legeme i hvile".

De klassiske love om glidende friktion blev opdaget af Leonardo da Vinci i 1493, en pioner inden for tribologi , men de love, der er dokumenteret i hans notesbøger, blev ikke offentliggjort og forblev ukendte. Disse love blev genopdaget af Guillaume Amontons i 1699 og blev kendt som Amontons tre love om tør friktion. Amontons præsenterede arten af ​​friktion med hensyn til overfladeuregelmæssigheder og den kraft, der kræves for at hæve vægten ved at presse overfladerne sammen. Denne opfattelse blev yderligere uddybet af Bernard Forest de Bélidor og Leonhard Euler (1750), der udledte hvilevinklen for en vægt på et skråt plan og først skelnede mellem statisk og kinetisk friktion. John Theophilus Desaguliers (1734) erkendte først vedhæftningens rolle i friktion. Mikroskopiske kræfter får overflader til at hænge sammen; han foreslog, at friktion var den kraft, der var nødvendig for at rive de vedhæftende overflader fra hinanden.

Forståelsen af ​​friktion blev videreudviklet af Charles-Augustin de Coulomb (1785). Coulomb undersøgte indflydelsen af ​​fire hovedfaktorer på friktion: arten af ​​materialerne i kontakt og deres overfladebelægninger; overfladearealets omfang; det normale tryk (eller belastning) og den tid, overfladerne forblev i kontakt (hviletid). Coulomb overvejede endvidere indflydelsen af ​​glidehastighed, temperatur og fugtighed for at kunne beslutte mellem de forskellige forklaringer om arten af ​​friktion, der var blevet foreslået. Sondringen mellem statisk og dynamisk friktion foretages i Coulombs friktionslov (se nedenfor), selvom denne sondring allerede blev trukket af Johann Andreas von Segner i 1758. Virkningen af ​​hviletid blev forklaret af Pieter van Musschenbroek (1762) ved at overveje overfladerne af fibrøse materialer, hvor fibre hænger sammen, hvilket tager en endelig tid, hvor friktionen øges.

John Leslie (1766–1832) bemærkede en svaghed i synspunkterne fra Amontons og Coulomb: Hvis friktion opstår ved, at en vægt tegnes op ad det tilbøjelige plan for successive asperiteter , hvorfor er det så ikke afbalanceret gennem faldende den modsatte hældning? Leslie var lige så skeptisk over for rollen som vedhæftning foreslået af Desaguliers, som i det hele taget burde have samme tendens til at accelerere som at forsinke bevægelsen. Efter Leslies opfattelse skal friktion ses som en tidsafhængig proces med udfladning, presning af asperiteter, hvilket skaber nye forhindringer i det, der var hulrum før.

Arthur Jules Morin (1833) udviklede konceptet glidning versus rullende friktion. Osborne Reynolds (1866) udledte ligningen af ​​viskøs strømning. Dette fuldførte den klassiske empiriske model for friktion (statisk, kinetisk og flydende), der normalt bruges i dag inden for teknik. I 1877 undersøgte Fleeming Jenkin og JA Ewing kontinuiteten mellem statisk og kinetisk friktion.

Forskningens fokus i det 20. århundrede har været at forstå de fysiske mekanismer bag friktion. Frank Philip Bowden og David Tabor (1950) viste, at på et mikroskopisk niveau er det faktiske kontaktområde mellem overflader en meget lille brøkdel af det tilsyneladende område. Dette faktiske kontaktområde, forårsaget af asperities øges med tryk. Udviklingen af atomkraftmikroskopet (ca. 1986) gjorde det muligt for forskere at undersøge friktion på atomskalaen , hvilket viser, at tør friktion på denne skala er produktet af forskydningsspændingen mellem overflader og kontaktområdet. Disse to opdagelser forklarer Amontons første lov (nedenfor) ; den makroskopiske proportionalitet mellem normal kraft og statisk friktionskraft mellem tørre overflader.

Love om tør friktion

Den elementære egenskab ved glidende (kinetisk) friktion blev opdaget ved forsøg i det 15. til 18. århundrede og blev udtrykt som tre empiriske love:

  • Amontons første lov : Friktionskraften er direkte proportional med den påførte belastning.
  • Amontons anden lov : Friktionskraften er uafhængig af det tilsyneladende kontaktområde.
  • Coulombs friktionslov : Kinetisk friktion er uafhængig af glidehastigheden.

Tør friktion

Tør friktion modstår relativ sideværts bevægelse af to faste overflader i kontakt. De to regimer med tør friktion er 'statisk friktion' (" stiktion ") mellem ikke-bevægelige overflader og kinetisk friktion (undertiden kaldet glidende friktion eller dynamisk friktion) mellem bevægelige overflader.

Coulomb-friktion, opkaldt efter Charles-Augustin de Coulomb , er en omtrentlig model, der bruges til at beregne kraften i tør friktion. Det styres af modellen:

hvor

  • er den friktionskraft, der udøves af hver overflade på den anden. Det er parallelt med overfladen, i en retning modsat den netpåførte kraft.
  • er friktionskoefficienten, som er en empirisk egenskab ved kontaktmaterialerne,
  • er den normale kraft, der udøves af hver overflade på den anden, rettet vinkelret (normal) på overfladen.

Coulomb -friktionen kan tage enhver værdi fra nul op til , og retningen af ​​friktionskraften mod en overflade er modsat den bevægelse, overfladen ville opleve i fravær af friktion. I det statiske tilfælde er friktionskraften således nøjagtigt, hvad den skal være for at forhindre bevægelse mellem overfladerne; det balancerer nettokraften, der har tendens til at forårsage en sådan bevægelse. I dette tilfælde giver Coulomb -tilnærmelsen i stedet for at give et skøn over den faktiske friktionskraft en tærskelværdi for denne kraft, over hvilken bevægelse ville begynde. Denne maksimale kraft er kendt som trækkraft .

Friktionskraften udøves altid i en retning, der modsætter sig bevægelse (for kinetisk friktion) eller potentiel bevægelse (for statisk friktion) mellem de to overflader. For eksempel oplever en curlingsten, der glider langs isen, en kinetisk kraft, der bremser den. For et eksempel på potentiel bevægelse oplever drivhjulene i en accelererende bil en friktionskraft, der peger fremad; hvis de ikke gjorde det, ville hjulene dreje, og gummiet ville glide bagud langs fortovet. Bemærk, at det ikke er køretøjets bevægelsesretning, de er imod, det er retningen (potentiel) glidning mellem dæk og vej.

Normal kraft

Frikropsdiagram for en blok på en rampe. Pile er vektorer, der angiver retninger og størrelser af kræfter. N er den normale kraft, mg er tyngdekraften , og F f er friktionskraften.

Den normale kraft er defineret som nettokraften, der komprimerer to parallelle overflader sammen, og dens retning er vinkelret på overfladerne. I det simple tilfælde, hvor en masse hviler på en vandret overflade, er den eneste komponent i den normale kraft kraften på grund af tyngdekraften, hvor . I så fald skal betingelserne for ligevægt fortæller os, at størrelsen af friktionskraften er nul , . Faktisk tilfredsstiller friktionskraften altid , idet lighed kun nås i en kritisk rampevinkel (givet ved ), der er stejl nok til at starte glidning.

Friktionskoefficienten er en empirisk (eksperimentelt målt) strukturel egenskab, der kun afhænger af forskellige aspekter af kontaktmaterialerne, såsom overfladeruhed. Friktionskoefficienten er ikke en funktion af masse eller volumen. For eksempel har en stor aluminiumsblok samme friktionskoefficient som en lille aluminiumsblok. Størrelsen af ​​selve friktionskraften afhænger imidlertid af den normale kraft og dermed af blokens masse.

Afhængigt af situationen kan beregningen af ​​den normale kraft omfatte andre kræfter end tyngdekraften. Hvis et objekt er på en plan overflade og udsættes for en ekstern kraft, der har tendens til at få det til at glide, så er den normale kraft mellem objektet og overfladen lige , hvor er blokens vægt og er den nedadgående komponent af den ydre kraft. Før glidning er denne friktionskraft , hvor er den vandrette komponent i den ydre kraft. Således generelt. Glidning begynder først, når denne friktionskraft når værdien . Indtil da er friktion, hvad det skal være for at skabe ligevægt, så det kan behandles som simpelthen en reaktion.

Hvis objektet er på en vippet overflade, f.eks. Et skråt plan, er den normale kraft fra tyngdekraften mindre end , fordi mindre af tyngdekraften er vinkelret på planets overflade. Den normale kraft og friktionskraften bestemmes i sidste ende ved hjælp af vektoranalyse , normalt via et frit kropsdiagram .

Generelt er processen til at løse ethvert statisk problem med friktion at behandle kontaktflader foreløbigt som ubevægelige, så den tilsvarende tangentielle reaktionskraft mellem dem kan beregnes. Hvis denne friktionsreaktionskraft opfylder , så var den foreløbige antagelse korrekt, og det er den faktiske friktionskraft. Ellers skal friktionskraften sættes lig med , og derefter vil den resulterende kraftubalance derefter bestemme accelerationen i forbindelse med glidning.

Friktionskoefficient

Den friktionskoefficient (COF), ofte symboliseret ved det græske bogstav μ , er en dimensionsløs skalar værdi, som er lig med forholdet mellem kraft af friktion mellem to organer og kraft at trykke dem sammen, enten under eller ved starten af at glide. Friktionskoefficienten afhænger af de anvendte materialer; for eksempel har is på stål en lav friktionskoefficient, mens gummi på fortovet har en høj friktionskoefficient. Friktionskoefficienter spænder fra nær nul til mere end en. Det er et aksiom af friktionens art mellem metaloverflader, at den er større mellem to overflader af lignende metaller end mellem to overflader af forskellige metaller - derfor vil messing have en højere friktionskoefficient, når den flyttes mod messing, men mindre hvis den flyttes mod stål eller aluminium.

For overflader i hvile i forhold til hinanden , hvor er statisk friktionskoefficient . Dette er normalt større end dets kinetiske modstykke. Den statiske friktionskoefficient, der udvises af et par kontaktflader, afhænger af de kombinerede virkninger af materialedeformationskarakteristika og overfladeruhed , som begge har deres oprindelse i den kemiske binding mellem atomer i hvert af massematerialerne og mellem materialoverfladerne og evt. adsorberet materiale . Den fractality af overflader, en parameter, der beskriver skalering adfærd overfladeruheder, vides at spille en vigtig rolle ved bestemmelse af størrelsen af den statiske friktion.

For overflader i relativ bevægelse , hvor er kinetisk friktionskoefficient . Coulomb -friktionen er lig med , og friktionskraften på hver overflade udøves i den modsatte retning af dens bevægelse i forhold til den anden overflade.

Arthur Morin introducerede udtrykket og demonstrerede nytten af ​​friktionskoefficienten. Friktionskoefficienten er en empirisk måling - den skal måles eksperimentelt og kan ikke findes gennem beregninger. Grovere overflader har en tendens til at have højere effektive værdier. Både statiske og kinetiske friktionskoefficienter afhænger af parret af overflader i kontakt; for et givet par overflader er koefficienten for statisk friktion normalt større end kinetisk friktion; i nogle sæt er de to koefficienter ens, f.eks. teflon-på-teflon.

De fleste tørre materialer i kombination har friktionskoefficientværdier mellem 0,3 og 0,6. Værdier uden for dette område er sjældnere, men teflon kan for eksempel have en koefficient så lav som 0,04. En værdi på nul ville slet ikke betyde nogen friktion, en undvigende egenskab. Gummi i kontakt med andre overflader kan give friktionskoefficienter fra 1 til 2. Indimellem fastholdes det, at μ altid er <1, ​​men dette er ikke sandt. Mens i de fleste relevante applikationer μ <1 betyder en værdi over 1 blot, at den kraft, der kræves for at glide et objekt langs overfladen, er større end overfladens normale kraft på objektet. For eksempel silikonegummi eller acryl gummi -coatede overflader har en friktionskoefficient, som kan være væsentligt større end 1.

Selv om det ofte hedder, at COF er en "materiel egenskab", er det bedre kategoriseret som en "systemegenskab". I modsætning til sande materialegenskaber (såsom ledningsevne, dielektrisk konstant, flydestyrke) afhænger COF for to materialer af systemvariabler som temperatur , hastighed , atmosfære og også det, der nu populært beskrives som ældning og udkoblingstid; samt om geometriske egenskaber ved grænsefladen mellem materialerne, nemlig overfladestruktur . For eksempel kan en kobberpind glide mod en tyk kobberplade have en COF, der varierer fra 0,6 ved lave hastigheder (metal, der glider mod metal) til under 0,2 ved høje hastigheder, når kobberoverfladen begynder at smelte på grund af friktionsopvarmning. Sidstnævnte hastighed bestemmer naturligvis ikke COF entydigt; hvis stiftdiameteren øges, så friktionsopvarmningen fjernes hurtigt, falder temperaturen, stiften forbliver fast, og COF stiger til en 'lav hastighed' test.

Omtrentlige friktionskoefficienter

Materialer Statisk friktion, Kinetisk/glidende friktion,
Tør og ren Smurt Tør og ren Smurt
Aluminium Stål 0,61 0,47
Aluminium Aluminium 1,05–1,35 0,3 1.4–1.5
Guld Guld 2.5
Platin Platin 1.2 0,25 3.0
Sølv Sølv 1.4 0,55 1.5
Aluminium keramik Siliciumnitridkeramik 0,004 (våd)
BAM (Keramisk legering AlMgB 14 ) Titaniumborid (TiB 2 ) 0,04-0,05 0,02
Messing Stål 0,35–0,51 0,19 0,44
Støbejern Kobber 1,05 0,29
Støbejern Zink 0,85 0,21
Beton Gummi 1.0 0,30 (våd) 0,6–0,85 0,45–0,75 (våd)
Beton Træ 0,62
Kobber Glas 0,68 0,53
Kobber Stål 0,53 0,36 0,18
Glas Glas 0,9–1,0 0,005–0,01 0,4 0,09–0,116
Menneskelig ledvæske Menneskebrusk 0,01 0,003
Is Is 0,02–0,09
Polyethen Stål 0,2 0,2
PTFE (teflon) PTFE (teflon) 0,04 0,04 0,04
Stål Is 0,03
Stål PTFE (teflon) 0,04−0,2 0,04 0,04
Stål Stål 0,74−0,80 0,005–0,23 0,42–0,62 0,029–0,19
Træ Metal 0,2–0,6 0,2 (våd) 0,49 0,075
Træ Træ 0,25–0,62 0,2 (våd) 0,32–0,48 0,067–0,167

Under visse betingelser har nogle materialer meget lave friktionskoefficienter. Et eksempel er (meget ordnet pyrolytisk) grafit, der kan have en friktionskoefficient under 0,01. Dette system med ultralav friktion kaldes superlubricitet .

Statisk friktion

Når massen ikke bevæger sig, oplever objektet statisk friktion. Friktionen øges, når den påførte kraft stiger, indtil blokken bevæger sig. Efter blokken bevæger sig, oplever den kinetisk friktion, som er mindre end den maksimale statiske friktion.

Statisk friktion er friktion mellem to eller flere faste objekter, der ikke bevæger sig i forhold til hinanden. F.eks. Kan statisk friktion forhindre et objekt i at glide ned ad en skrånende overflade. Koefficienten for statisk friktion, typisk angivet som μ s , er sædvanligvis højere end den kinetiske friktionskoefficient. Statisk friktion anses for at opstå som følge af overfladeruhedsegenskaber på tværs af skalaer med flere længder på faste overflader. Disse funktioner, kendt som asperiteter, er til stede i nanoskala dimensioner og resulterer i ægte fast til fast kontakt, der kun eksisterer på et begrænset antal punkter, der kun tegner sig for en brøkdel af det tilsyneladende eller nominelle kontaktområde. Lineariteten mellem påført belastning og ægte kontaktområde, der stammer fra asperitetsdeformation, giver anledning til lineariteten mellem statisk friktionskraft og normal kraft, der findes for typisk Amonton – Coulomb -friktion.

Den statiske friktionskraft skal overvindes af en påført kraft, før et objekt kan bevæge sig. Den maksimalt mulige friktionskraft mellem to overflader før glidende begynder er produktet af koefficienten for statisk friktion og normalkraften: . Når der ikke sker glidning, kan friktionskraften have en hvilken som helst værdi fra nul op til . Enhver kraft mindre end at forsøge at glide den ene overflade over den anden modsættes af en friktionskraft af samme størrelse og modsat retning. Enhver kraft større end overvinder kraften af ​​statisk friktion og får glidning til at forekomme. Den øjeblikkelige glidning sker, statisk friktion er ikke længere anvendelig - friktionen mellem de to overflader kaldes derefter kinetisk friktion. Imidlertid kan en tilsyneladende statisk friktion observeres selv i det tilfælde, hvor den sande statiske friktion er nul.

Et eksempel på statisk friktion er den kraft, der forhindrer et bilhjul i at glide, når det ruller på jorden. Selvom hjulet er i bevægelse, er dækkets plaster i kontakt med jorden stationær i forhold til jorden, så det er statisk frem for kinetisk friktion.

Den maksimale værdi af statisk friktion, når bevægelse er forestående, kaldes undertiden begrænsende friktion , selvom dette udtryk ikke bruges universelt.

Kinetisk friktion

Kinetisk friktion , også kendt som dynamisk friktion eller glidende friktion , opstår, når to objekter bevæger sig i forhold til hinanden og gnider sammen (som en slæde på jorden). Kinetisk friktionskoefficient er typisk angivet som μ k , og er normalt mindre end statisk friktionskoefficient for de samme materialer. Men Richard Feynman kommentarer, at "med tørre metaller det er meget svært at vise nogen forskel." Friktionskraften mellem to overflader efter glidende begynder er produktet af den kinetisk friktionskoefficient og normalkraften: . Dette er ansvarligt for Coulomb -dæmpningen af et oscillerende eller vibrerende system.

Nye modeller begynder at vise, hvordan kinetisk friktion kan være større end statisk friktion. Kinetisk friktion forstås nu i mange tilfælde primært forårsaget af kemisk binding mellem overfladerne frem for sammenlåsning af asperiteter; i mange andre tilfælde er ruhedseffekter imidlertid dominerende, f.eks. i gummi til vejfriktion. Overfladeruhed og kontaktareal påvirker kinetisk friktion for mikro- og nanoskalaobjekter, hvor overfladearealskræfter dominerer inertiekræfter.

Oprindelsen til kinetisk friktion ved nanoskala kan forklares med termodynamik. Ved glidning dannes ny overflade på bagsiden af ​​en glidende sand kontakt, og eksisterende overflade forsvinder på forsiden af ​​den. Da alle overflader involverer den termodynamiske overfladeenergi, skal der bruges arbejde på at skabe den nye overflade, og energi frigives som varme ved fjernelse af overfladen. Således kræves en kraft for at flytte kontaktens bagside, og friktionsvarme frigives foran.

Friktionsvinkel, θ , når blokken lige begynder at glide.

Friktionsvinkel

For visse applikationer er det mere nyttigt at definere statisk friktion i form af den maksimale vinkel, før et af elementerne vil begynde at glide. Dette kaldes friktionsvinklen eller friktionsvinklen . Det er defineret som:

hvor θ er vinklen fra vandret og μ s er den statiske friktionskoefficient mellem objekterne. Denne formel kan også bruges til at beregne μ s fra empiriske målinger af friktionsvinklen.

Friktion på atomniveau

At bestemme de kræfter, der kræves for at flytte atomer forbi hinanden, er en udfordring ved design af nanomaskiner . I 2008 var forskere for første gang i stand til at flytte et enkelt atom over en overflade og måle de krævede kræfter. Ved hjælp af ultrahøjt vakuum og næsten nul temperatur (5 K) blev et modificeret atomkraftmikroskop brugt til at trække et koboltatom og et carbonmonoxidmolekyle hen over overflader af kobber og platin .

Begrænsninger for Coulomb -modellen

Coulomb -tilnærmelsen følger af antagelserne om, at: overflader kun har atomisk tæt kontakt over en lille brøkdel af deres samlede areal; at dette kontaktområde er proportionalt med den normale kraft (indtil mætning, som finder sted, når alt område er i atomkontakt); og at friktionskraften er proportional med den påførte normale kraft, uafhængigt af kontaktområdet. Coulomb -tilnærmelsen er grundlæggende en empirisk konstruktion. Det er en tommelfingerregel, der beskriver det omtrentlige resultat af en ekstremt kompliceret fysisk interaktion. Styrken ved tilnærmelsen er dens enkelhed og alsidighed. Selvom forholdet mellem normal kraft og friktionskraft ikke ligefrem er lineært (og derfor er friktionskraften ikke helt uafhængig af overfladernes kontaktområde), er Coulomb -tilnærmelsen en tilstrækkelig repræsentation af friktion til analyse af mange fysiske systemer.

Når overfladerne er forbundet, bliver Coulomb -friktion en meget dårlig tilnærmelse (for eksempel klæber tape tape mod at glide, selvom der ikke er nogen normal kraft eller en negativ normal kraft). I dette tilfælde kan friktionskraften stærkt afhænge af kontaktområdet. Nogle drag racing dæk er klæbende af denne grund. På trods af kompleksiteten i den grundlæggende fysik bag friktion er relationerne imidlertid præcise nok til at være nyttige i mange applikationer.

"Negativ" friktionskoefficient

Fra 2012 har en enkelt undersøgelse vist potentialet for en effektivt negativ friktionskoefficient i lavbelastningsregimet , hvilket betyder, at et fald i normal kraft fører til en stigning i friktion. Dette modsiger daglig erfaring, hvor en stigning i normal kraft fører til en stigning i friktion. Dette blev rapporteret i tidsskriftet Nature i oktober 2012 og involverede den friktion, som en atomkraftmikroskop-stylus stødte på, når den blev trukket hen over et grafenark i nærvær af grafen-adsorberet ilt.

Numerisk simulering af Coulomb -modellen

På trods af at det er en forenklet friktionsmodel, er Coulomb -modellen nyttig i mange numeriske simuleringsapplikationer , såsom multibody -systemer og granulatmateriale . Selv dets mest enkle udtryk indkapsler de grundlæggende virkninger af stikker og glider, som kræves i mange anvendte tilfælde, selvom specifikke algoritmer skal designes for effektivt numerisk at integrere mekaniske systemer med Coulomb -friktion og bilateral eller ensidig kontakt. Nogle ganske ikke-lineære effekter , såsom de såkaldte Painlevé-paradokser , kan støde på med Coulomb-friktion.

Tør friktion og ustabilitet

Tør friktion kan forårsage flere typer ustabilitet i mekaniske systemer, der udviser en stabil adfærd i fravær af friktion. Disse ustabilitet kan skyldes faldet i friktionskraften med en stigende glidningshastighed, materialeudvidelse på grund af varmegenerering under friktion (de termoelastiske ustabiliteter) eller af rene dynamiske virkninger af glidning af to elastiske materialer (Adams –Martins ustabilitet). Sidstnævnte blev oprindeligt opdaget i 1995 af George G. Adams og João Arménio Correia Martins for glatte overflader og blev senere fundet i periodiske ru overflader. Især menes friktionsrelaterede dynamiske ustabiliteter at være ansvarlige for bremseskrænk og 'sangen' af en glasharpe , fænomener, der involverer stick og slip, modelleret som en dråbe friktionskoefficient med hastighed.

En praktisk vigtig sag er selvsvingningen af strygningerne på buede instrumenter som violin , cello , hurdy-gurdy , erhu osv.

En forbindelse mellem tør friktion og flagren ustabilitet i et simpelt mekanisk system er blevet opdaget, se filmen for flere detaljer.

Friktionsstabilitet kan føre til dannelse af nye selvorganiserede mønstre (eller "sekundære strukturer") på glidegrænsefladen, såsom in situ dannede tribofilmer, der bruges til at reducere friktion og slid i såkaldte selvsmørende materialer .

Væskefriktion

Fluid friktion optræder mellem flydende lag, der bevæger sig i forhold til hinanden. Denne indre strømningsmodstand hedder viskositet . I daglig tale beskrives en væskes viskositet som dens "tykkelse". Vand er således "tyndt", har en lavere viskositet, mens honning er "tyk" med en højere viskositet. Jo mindre tyktflydende væsken er, desto større er dens lette deformation eller bevægelse.

Alle ægte væsker (undtagen superfluider ) giver en vis modstandsdygtighed over for forskydning og er derfor tyktflydende. Til undervisnings- og forklaringsformål er det nyttigt at bruge begrebet en usynlig væske eller en ideel væske, der ikke giver modstandsdygtighed over for forskydning og derfor ikke er tyktflydende.

Smurt friktion

Smurt friktion er et tilfælde af væskefriktion, hvor en væske adskiller to faste overflader. Smøring er en teknik, der anvendes til at reducere slid på en eller begge overflader i umiddelbar nærhed, der bevæger sig i forhold til hinanden ved at indsætte et stof kaldet et smøremiddel mellem overfladerne.

I de fleste tilfælde bæres den påførte belastning af tryk genereret i væsken på grund af friktionsviskøs modstand mod bevægelse af smørefluidet mellem overfladerne. Tilstrækkelig smøring muliggør jævn kontinuerlig drift af udstyr, med kun let slid, og uden overdreven belastning eller anfald i lejer. Når smøring nedbrydes, kan metal eller andre komponenter gnide ødelæggende over hinanden og forårsage varme og muligvis beskadigelse eller fejl.

Hudfriktion

Hudfriktion opstår fra interaktionen mellem væsken og hudens krop og er direkte relateret til området af overfladen af ​​kroppen, der er i kontakt med væsken. Hudfriktion følger trækligningen og stiger med kvadratet af hastigheden.

Hudfriktion er forårsaget af tyktflydende træk i grænselaget omkring objektet. Der er to måder at reducere hudfriktion på: Den første er at forme den bevægelige krop, så en jævn strømning er mulig, som en flyveprofil. Den anden metode er at reducere længden og tværsnittet af det bevægelige objekt så meget som det er praktisk muligt.

Intern friktion

Intern friktion er den kraft, der modstår bevægelse mellem elementerne, der udgør et fast materiale, mens det undergår deformation .

Plastisk deformation i faste stoffer er en irreversibel ændring i den indre molekylære struktur af et objekt. Denne ændring kan skyldes enten (eller begge) en påført kraft eller en ændring i temperaturen. Ændringen af ​​et objekts form kaldes belastning. Den kraft, der forårsager det, kaldes stress .

Elastisk deformation i faste stoffer er reversibel ændring i den indre molekylære struktur af et objekt. Stress forårsager ikke nødvendigvis permanent forandring. Når deformation opstår, modsætter indre kræfter sig den påførte kraft. Hvis den påførte spænding ikke er for stor, kan disse modstående kræfter fuldstændig modstå den påførte kraft, så objektet kan antage en ny ligevægtstilstand og vende tilbage til sin oprindelige form, når kraften fjernes. Dette er kendt som elastisk deformation eller elasticitet.

Strålingsfriktion

Som en konsekvens af let tryk forudsagde Einstein i 1909 eksistensen af ​​"strålingsfriktion", som ville modsætte sig bevægelse af stof. Han skrev, "stråling vil udøve pres på begge sider af pladen. Trykkræfterne, der udøves på de to sider, er ens, hvis pladen hviler. Men hvis den er i bevægelse, vil mere stråling blive reflekteret på den overflade, der er foran under bevægelsen (frontoverfladen) end på bagsiden. Den bagudvirkende trykstyrke, der udøves på frontoverfladen, er således større end trykket, der virker på bagsiden. Som resultat af de to kræfter forbliver der derfor en kraft, der modvirker pladens bevægelse, og som øges med pladens hastighed. Vi vil kort kalde denne resulterende 'strålingsfriktion'. ”

Andre former for friktion

Rullemodstand

Rullemodstand er den kraft, der modstår rullning af et hjul eller et andet cirkulært objekt langs en overflade forårsaget af deformationer i objektet eller overfladen. Generelt er rullemodstandens kraft mindre end den, der er forbundet med kinetisk friktion. Typiske værdier for rullemodstandskoefficienten er 0,001. Et af de mest almindelige eksempler på rullemodstand er bevægelsen af motordæk på en vej , en proces, der genererer varme og lyd som biprodukter.

Bremsefriktion

Ethvert hjul udstyret med en bremse er i stand til at generere en stor retarderingskraft, normalt med det formål at bremse og standse et køretøj eller et stykke roterende maskiner. Bremsefriktion adskiller sig fra rullende friktion, fordi friktionskoefficienten for rullende friktion er lille, mens friktionskoefficienten for bremsefriktion er designet til at være stor ved valg af materialer til bremseklodser .

Triboelektrisk effekt

Gnidning af forskellige materialer mod hinanden kan forårsage ophobning af elektrostatisk ladning , hvilket kan være farligt, hvis der findes brandfarlige gasser eller dampe. Når den statiske opbygning aflades, kan eksplosioner skyldes antændelse af den brandfarlige blanding.

Bæltefriktion

Bæltefriktion er en fysisk egenskab observeret fra de kræfter, der virker på et bælte viklet rundt om en remskive, når den ene ende trækkes. Den resulterende spænding, der virker i begge ender af bæltet, kan modelleres efter bæltefriktionsligningen.

I praksis kan den teoretiske spænding, der virker på bæltet eller rebet beregnet ud fra bæltefriktionsligningen, sammenlignes med den maksimale spænding, bæltet kan understøtte. Dette hjælper en designer af en sådan rig til at vide, hvor mange gange remmen eller rebet skal vikles rundt om remskiven for at forhindre, at den glider. Bjergbestigere og sejlbesætninger demonstrerer en standardviden om bæltefriktion, når de udfører grundlæggende opgaver.

Reducering af friktion

Enheder

Enheder såsom hjul, kuglelejer , rullelejer og luftpude eller andre former for væskelejer kan ændre glidende friktion til en meget mindre type rullende friktion.

Mange termoplastiske materialer som nylon , HDPE og PTFE bruges almindeligvis i lejer med lav friktion . De er især nyttige, fordi friktionskoefficienten falder med stigende belastning. For forbedret slidstyrke specificeres normalt meget høje molekylvægter for tunge eller kritiske lejer.

Smøremidler

En almindelig måde at reducere friktion på er ved at bruge et smøremiddel , såsom olie, vand eller fedt, som er placeret mellem de to overflader, hvilket ofte reducerer friktionskoefficienten dramatisk. Videnskaben om friktion og smøring kaldes tribologi . Smøremiddelteknologi er, når smøremidler blandes med anvendelse af videnskab, især til industrielle eller kommercielle formål.

Superlubricitet, en nyligt opdaget effekt, er blevet observeret i grafit : det er det betydelige fald i friktion mellem to glidende objekter, der nærmer sig nulniveauer. En meget lille mængde friktionsenergi ville stadig blive spredt.

Smøremidler for at overvinde friktion behøver ikke altid at være tynde, turbulente væsker eller pulverformige faste stoffer som grafit og talkum ; akustisk smøring bruger faktisk lyd som smøremiddel.

En anden måde at reducere friktion mellem to dele er at overlejre mikroskala vibrationer til en af ​​delene. Dette kan være sinusformet vibration som brugt ved ultralydassisteret skæring eller vibrationsstøj, kendt som dither .

Friktionsenergi

Ifølge loven om bevarelse af energi ødelægges ingen energi på grund af friktion, selvom den kan gå tabt for bekymringssystemet. Energi omdannes fra andre former til termisk energi. En glidende hockeypuck standser, fordi friktion omdanner sin kinetiske energi til varme, hvilket øger puckens og isoverfladens termiske energi. Da varmen hurtigt forsvinder, konkluderede mange tidlige filosoffer, herunder Aristoteles , forkert, at bevægelige genstande mister energi uden en drivkraft.

Når et objekt skubbes langs en overflade langs en sti C, gives energien, der omdannes til varme, af en linjeintegral i overensstemmelse med definitionen af ​​arbejde

hvor

er friktionskraften,
er vektoren opnået ved at multiplicere størrelsen af ​​den normale kraft med en enhedsvektor, der peger mod objektets bevægelse,
er den kinetiske friktionskoefficient, som er inde i integralet, fordi det kan variere fra sted til sted (f.eks. hvis materialet ændres langs stien),
er objektets position.

Energi tabt til et system som følge af friktion er et klassisk eksempel på termodynamisk irreversibilitet .

Friktionsarbejde

I referencerammen af grænsefladen mellem to overflader, statisk friktion gør ingen arbejde , fordi der er aldrig forskydningen mellem overfladerne. I den samme referenceramme er kinetisk friktion altid i den modsatte retning af bevægelsen og udfører negativt arbejde. Friktion kan imidlertid udføre positivt arbejde i visse referencerammer . Man kan se dette ved at placere en tung æske på et tæppe og derefter trække hurtigt i tæppet. I dette tilfælde glider kassen baglæns i forhold til tæppet, men bevæger sig fremad i forhold til den referenceramme, hvor gulvet er stationært. Således fremskynder den kinetiske friktion mellem kassen og tæppet kassen i samme retning, som kassen bevæger sig, og udfører positivt arbejde.

Det arbejde, der udføres ved friktion, kan omsættes til deformation, slid og varme, der kan påvirke kontaktoverfladens egenskaber (selv friktionskoefficienten mellem overfladerne). Dette kan være fordelagtigt som ved polering . Friktionsarbejdet bruges til at blande og samle materialer som f.eks. I processen med friktionssvejsning . Overdreven erosion eller slid på parrende glideflader opstår, når arbejde på grund af friktionskræfter stiger til uacceptable niveauer. Hårdere korrosionspartikler fanget mellem parringsflader i relativ bevægelse ( fretting ) forværrer slid på friktionskræfter. Da overflader slides af arbejde på grund af friktion, kan pasform og overfladefinish af et objekt nedbrydes, indtil det ikke længere fungerer korrekt. For eksempel kan lejeanfald eller svigt skyldes overdreven slitage på grund af friktionsarbejde.

Ansøgninger

Friktion er en vigtig faktor i mange tekniske discipliner.

Transport

  • Bilbremser er i sig selv afhængige af friktion og bremser et køretøj ved at omdanne dets kinetiske energi til varme. I øvrigt er en teknisk udfordring ved design af bremsesystemer at sprede denne store mængde varme sikkert. Skivebremser er afhængige af friktion mellem en skive og bremseklodser , der presses på tværs mod den roterende skive. I tromlebremser , bremsesko eller puder er pressede udad mod en roterende cylinder (bremsetromle) at skabe friktion. Da bremseskiver kan køles mere effektivt end tromler, har skivebremser bedre standsningsevne.
  • Skinneadhæsion refererer til grebshjulene på et tog, der har på skinnerne, se Friktionskontaktmekanik .
  • Vejglathed er en vigtig design- og sikkerhedsfaktor for biler
    • Splittet friktion er en særlig farlig tilstand, der opstår på grund af varierende friktion på hver side af en bil.
    • Vejtekstur påvirker samspillet mellem dæk og køreoverfladen.

Måling

  • Et tribometer er et instrument, der måler friktion på en overflade.
  • En profilograf er en enhed, der bruges til at måle ruhed på belægningsoverfladen.

Husholdningsbrug

  • Friktion bruges til at opvarme og antænde tændstikker (friktion mellem en tændstiks hoved og gnidningsoverfladen på tændstikboksen).
  • Sticky puder bruges til at forhindre objekt i at glide af glatte overflader ved effektivt at øge friktionskoefficienten mellem overfladen og objektet.

Se også

Referencer

eksterne links