Явление прерывистого скольжения - Stick-slip phenomenon

В явление прерывистого скольжения, также известный как явление скольжения или просто прерывистое скольжение, это спонтанное рывковое движение, которое может происходить, когда два объекта скользят друг по другу.

Причина

Ниже приведен простой, эвристический описание явлений прерывистого скольжения с использованием классическая механика что актуально для технических описаний. Однако на самом деле в академических кругах нет единого мнения относительно реального физического описания скачкообразного движения, что связано с отсутствием понимания явлений трения в целом. Все согласны с тем, что прерывистое скольжение является результатом обычных фонон моды (на границе между подложкой и ползунком), которые закреплены в волнообразном ландшафте потенциальной ямы, которые открепляются (скользят) и закрепляются (залипают), в первую очередь, под влиянием тепловых флуктуаций. Тем не менее, трение при прерывистом скольжении встречается в широком диапазоне масштабов длины от атомарного до тектонического, и не существует единого физического механизма, ответственного за все проявления.

Жесткость пружины (показана на изображении ниже), нормальный нагрузка на границе раздела (вес ползунка), продолжительность существования границы раздела (влияющая на химический массоперенос и образование связи), исходная скорость (скорость) скольжения (когда ползунок находится в фазе скольжения) - все влияют на поведение системы.[1] Описание с использованием общих фононов (а не основных законов, таких как модель трения Кулона) дает объяснение шума, который обычно сопровождает скачкообразное скольжение через поверхностные акустические волны. Использование сложных конститутивных моделей, приводящих 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 трение. Обычно статическое трение коэффициент (эвристическое число) между двумя поверхностями больше, чем кинетическое трение коэффициент. Если применяется сила достаточно велик, чтобы преодолеть статическое трение, то уменьшение трения до кинетического может вызвать внезапный скачок скорости движения.[2] На прилагаемом изображении символически показан пример прерывистого скольжения.

Stick-slip.svg

V - приводная система, R - упругость системы, M - нагрузка, лежащая на полу и толкаемая в горизонтальном направлении. 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 гидроцилиндры, мокрые тормоза тракторов, хонинговальные станки и т. д. допинг можно добавить в гидравлическая жидкость или охлаждающая жидкость для преодоления или минимизации эффекта прерывистого скольжения. Прерывистое скольжение также наблюдается на токарных станках, фрезерных станках и другом оборудовании, где что-то скользит по направляющей. Масла для направляющих скольжения обычно называют «предотвращение прерывистого скольжения» одной из своих характеристик. Другие примеры явления прерывистого скольжения включают музыку, которая исходит из смычковые инструменты, шум машина тормоза и шины, и шум остановки тренироваться. 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 играют с стеклянная арфа потирая влажным пальцем ободок хрустального бокала. Одно животное, которое издает звук, используя трение прерывистого скольжения, - это колючий лобстер который трется усиками о гладкие поверхности головы.[4] Другой, более распространенный пример, который производит звук с помощью трения прерывистого скольжения, - это кузнечик.

Также наблюдается прерывистое скольжение на атомный масштабировать с помощью микроскоп силы трения.[5] В таком случае явление можно интерпретировать с помощью Модель Томлинсона.

Поведение сейсмоактивных недостатки также объясняется с помощью модели прерывистого скольжения с землетрясения генерируется в периоды быстрого скольжения.[6]

Характерный звук баскетбол туфли скрип на корт создается прерывистым контактом между резинка подошвы и твердая древесина этаж.[7]

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

Исследователи из Калифорнийский университет в Сан-Диего разработал рой самосворачивающихся оригами роботы, которые используют явление прерывистого скольжения для передвижения.[9]

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

Рекомендации

  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, Ю .; Варенберг, М. (2014). «Устранение скачкообразного движения при скольжении по расщепленной или шероховатой поверхности». Письма о трибологии. 53 (2): 395–399. Дои:10.1007 / s11249-013-0278-8.
  3. ^ Д.В. Ли, Х. Банки, Дж. Н. Исраэлашвили, Падение-скольжение и износ суставов, PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
  4. ^ Патек С.Н. (2001). «Колючие омары прилипают и скользят, чтобы издать звук». Природа. 411 (6834): 153–154. Bibcode:2001Натура.411..153П. Дои:10.1038/35075656. PMID  11346780.
  5. ^ Трение вольфрамового острия о поверхность графита на атомных уровнях СМ. Матэ, Г. Макклелланд, Р. Эрландссон и С. Чан Phys. Rev. Lett. 59, 1942 (1987)
  6. ^ Scholz, C.H. (2002). Механика землетрясений и разломов (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 81–84. ISBN  978-0-521-65540-8. Получено 6 декабря 2011.
  7. ^ Бранч, Джон (2017-03-17). «Почему баскетбольные игры такие скрипучие? Взгляните на колючего омара». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2017-03-19.
  8. ^ Попов, М .; Попов, В. Л .; Попов, Н. В. (2017-03-01). «Снижение трения за счет нормальных колебаний. I. Влияние контактной жесткости». Трение. 5 (1): 45–55. arXiv:1611.07017. Дои: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. Дои:10.1109 / IROS.2017.8206295. ISBN  978-1-5386-2682-5.
  10. ^ Накано, К; Попов, В. Л. (2020-12-10). «Динамическое трение без статического трения: роль вращения вектора трения». Физический обзор E. 102 (6): 063001. Дои:10.1103 / PhysRevE.102.063001.
  • Zypman, F. R .; Ferrante, J .; Jansen, M .; Scanlon, K .; Абель, П. (2003), "Доказательства самоорганизованной критичности при сухом трении скольжения", Журнал физики: конденсированное вещество, 15 (12): L191, Дои:10.1088/0953-8984/15/12/101

внешняя ссылка