Stick-slip fænomen - Stick-slip phenomenon

Den stick-slip fænomen , også kendt som slip-stick fænomen eller blot stick-slip , er den spontane rykkende bevægelse, der kan opstå, mens to objekter glider over hinanden.

årsag

Nedenfor er en enkel, heuristisk beskrivelse af stick-slip fænomener ved hjælp af klassisk mekanik, der er relevant for ingeniørbeskrivelser. Imidlertid er der i virkeligheden ringe enighed i den akademiske verden om den faktiske fysiske beskrivelse af stick-slip, der følger den manglende forståelse af friktionsfænomener generelt. Det almindeligt aftalte synspunkt er, at stick-slip-opførsel skyldes almindelige fonon- tilstande (ved grænsefladen mellem substratet og skyderen), der er fastgjort i et bølgende potentiale-landskab, der un-pin (slip) og pin (stick) primært påvirker ved termiske udsving. Dog stikker man glidende friktionsadfærd over en bred vifte af længdeskalaer fra atom til tektonik, og der er ingen enkelt underliggende fysisk mekanisme, der er ansvarlig for alle manifestationer.

Fjederens stivhed (vist på billedet nedenfor), den normale belastning ved grænsefladen (glidens vægt), varigheden af ​​grænsefladen har eksisteret (påvirkning af kemisk massetransport og bindingsdannelse), den oprindelige hastighed (hastighed) glidning (når skyderen er i glidefasen) - alt påvirker systemets opførsel. En beskrivelse ved hjælp af almindelige fononer (snarere end konstituerende love som Coulombs friktionsmodel) giver forklaringer på støj, der generelt ledsager stikkeslip gennem overfladeakustiske bølger. Brugen af ​​komplicerede konstitutive modeller, der fører til diskontinuerlige løsninger (se Painlevé-paradoks ), ender med at kræve unødvendig matematisk indsats (for at understøtte ikke-glatte dynamiske systemer) og repræsenterer ikke den sande fysiske beskrivelse af systemet. Sådanne modeller er dog meget nyttige til simuleringer og animationer med lav kvalitet.

Teknisk beskrivelse

Stick-slip kan beskrives som overflader, der veksler mellem at klæbe til hinanden og glide over hinanden med en tilsvarende ændring i friktionskraften . Typisk er den statiske friktionskoefficient (et heuristisk tal) mellem to overflader større end den kinetiske friktionskoefficient . Hvis en påført kraft er stor nok til at overvinde den statiske friktion, kan reduktionen af ​​friktionen til den kinetiske friktion forårsage et pludseligt spring i bevægelseshastigheden. Det vedhæftede billede viser symbolsk et eksempel på stick-slip.

Stick-slip.svg

V er et drivsystem, R er elasticiteten i systemet, og M er belastningen, der ligger på gulvet og skubbes vandret. Når drivsystemet startes, belastes fjederen R, og dens skubbekraft mod belastning M øges, indtil den statiske friktionskoefficient mellem belastning M og gulvet ikke længere er i stand til at holde belastningen. Belastningen begynder at glide, og friktionskoefficienten falder fra dens statiske værdi til dens dynamiske værdi. I dette øjeblik kan fjederen give mere kraft og accelererer M. Under M's bevægelse aftager fjederens kraft, indtil den er utilstrækkelig til at overvinde den dynamiske friktion. Fra dette punkt bremses M til et stop. Drivsystemet fortsætter dog, og fjederen lægges igen osv.

Eksempler

Eksempler på stick-slip kan høres fra hydrauliske cylindre , traktorens våde bremser, slibemaskiner osv. Specielle dopes kan tilføjes til hydraulikvæsken eller kølevæsken for at overvinde eller minimere stick-slip-effekten. Stick-slip opleves også i drejebænke, møllecentre og andre maskiner, hvor noget glider på en glidebane. Slideway-olier viser typisk "forebyggelse af stick-slip" som en af ​​deres egenskaber. Andre eksempler på stick-slip fænomen omfatter musik, der kommer fra buet instrumenter , støjen fra bilen bremser og dæk , og støjen fra et stop tog . Stick-slip er også blevet observeret i ledbrusk under milde belastnings- og glideforhold, hvilket kan resultere i et slidende slid på brusk.

Et andet eksempel på stick-slip fænomenet opstår, når musiknoter spilles med en glasharpe ved at gnide en våd finger langs kanten af ​​et krystalvinsglas. Et dyr, der producerer lyd ved hjælp af glidende friktion, er den spiny hummer, der gnider antennerne over glatte overflader på hovedet. Et andet, mere almindeligt eksempel, der producerer lyd ved hjælp af stick-slip friktion, er græshoppen .

Stick-slip kan også observeres på atomskalaen ved hjælp af et friktionskraftmikroskop . I et sådant tilfælde kan fænomenet fortolkes ved hjælp af Tomlinson-modellen .

Opførelsen af ​​seismisk aktive fejl forklares også ved hjælp af en stick-slip-model, hvor der dannes jordskælv i perioder med hurtig glidning.

Den karakteristiske lyd af basketball sko squeaking på en domstol er produceret af stick-slip kontakt mellem gummi såler og hårdttræ gulv.

Stick-slip er den grundlæggende fysiske mekanisme til aktiv kontrol af friktion ved at anvende vibrationer.

Forskere ved University of California, San Diego udviklede en sværm af selvfoldende origami- robotter, der bruger stick-slip fænomenet til bevægelse.

Tilsyneladende stick-slip kan endda observeres i et system uden statisk friktionskraft ("dynamisk stiction")

Referencer

  1. ^ F. Heslot, T. Baumberger, B. Perrin, B. Caroli og C. Caroli, Phys. Rev. E 49, 4973 (1994) Glidende friktion: fysiske principper og applikationer - Bo NJ Persson Ruina, Andy. "Slip ustabilitet og angiv lovgivning om variabel friktion." Journal of Geophysical Research 88.B12 (1983): 10359-10
  2. ^ Kligerman, Y .; Varenberg, M. (2014). "Fjernelse af stick-slip bevægelse ved glidning af delt eller ru overflade". Tribologi breve . 53 (2): 395-399. doi : 10.1007 / s11249-013-0278-8 .
  3. ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, Stick-slip friktion og slid på leddled , PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
  4. ^ SN Patek (2001). "Spiny hummer stikker og glider for at gøre lyd". Natur . 411 (6834): 153-154. Bibcode : 2001Natur.411..153P . doi : 10.1038 / 35075656 . PMID   11346780 .
  5. ^ Atomisk friktion af en wolframspids på en grafitoverflade CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson og S. Chiang Phys. Præst Lett. 59 , 1942 (1987)
  6. ^ Scholz, CH (2002). Mekanikken ved jordskælv og fejl (2 udgave). Cambridge University Press. s. 81–84. ISBN   978-0-521-65540-8 . Hentet 6. december 2011 .
  7. ^ Branch, John (2017-03-17). "Hvorfor er basketballspil så knebende? Overvej den spiny hummer" . New York Times . ISSN   0362-4331 . Hentet 19.03.2017 .
  8. ^ Popov, M .; Popov, VL; Popov, NV (2017-03-01). "Reduktion af friktion ved normale svingninger. I. Indflydelse på kontaktstivhed". Friktion . 5 (1): 45–55. arXiv : 1611.07017 . doi : 10.1007 / s40544-016-0136-4 .
  9. ^ Weston-Dawkes, William P .; Ong, Aaron C .; Majit, Mohamad Ramzi Abdul; Joseph, Francis; Tolley, Michael T. (2017). "Mod hurtig mekanisk tilpasning af cm-skala selvfoldere". 2017 IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) . s. 4312–4318. doi : 10.1109 / IROS.2017.8206295 . ISBN   978-1-5386-2682-5 .
  10. ^ Nakano, K; Popov, VL (2020-12-10). "Dynamisk stiction uden statisk friktion: Friktionsvektorens rolle" . Physical Review E . 102 (6): 063001. doi : 10.1103 / PhysRevE.102.063001 .
  • Zypman, FR; Ferrante, J .; Jansen, M .; Scanlon, K .; Abel, P. (2003), "Evidence of self -organised criticality in dry gliding friction", Journal of Physics: Condensed Matter , 15 (12): L191, doi : 10.1088 / 0953-8984 / 15/12/101

eksterne links