Friktion

Tør friktion modstår relativ lateral bevægelse af to faste overflader i kontakt. De to regimer for tør friktion er “statisk friktion” (“stiction”) 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 af tør friktion. Det styres af modellen:

F f ≤ μ F n, {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}

hvor

Coulomb-friktionen F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} kan tage enhver værdi fra nul op til μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} , og retningen af friktionskraften mod en overflade er modsat den bevægelse, som 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 afbalancerer nettokraften, der har tendens til at forårsage en sådan bevægelse. I dette tilfælde, i stedet for at give et skøn over den faktiske friktionskraft, giver Coulomb-tilnærmelsen en tærskelværdi for denne kraft, over hvilken bevægelse ville begynde. Denne maksimale kraft kaldes trækkraft.

Friktionskraften udøves altid i en retning, der modsætter 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, drejede hjulene, og gummiet gled bagud langs fortovet. Bemærk, at det ikke er køretøjets bevægelsesretning, de modsætter sig, det er retningen (potentielt), der glider mellem dæk og vej.

Normal kraft

Den normale kraft defineres som nettokraften, der komprimerer to parallelle overflader sammen, og dens retning er vinkelret på overfladerne. I det enkle tilfælde af en masse, der hviler på en vandret overflade, er den eneste komponent i den normale kraft kraften på grund af tyngdekraften, hvor N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. I dette tilfælde er størrelsen af friktionskraften produktet af genstandens masse, accelerationen på grund af tyngdekraften og friktionskoefficienten. Friktionskoefficienten er imidlertid ikke en funktion af masse eller volumen; det afhænger kun af materialet. For eksempel har en stor aluminiumsblok den samme friktionskoefficient som en lille aluminiumsblok. Friktionskraftens størrelse afhænger dog af den normale kraft og dermed af blokens masse.

Hvis en genstand er på en plan overflade, og den kraft, der har tendens til at få den til at glide, er vandret , den normale kraft N {\ displaystyle N \,} mellem objektet og overfladen er netop dens vægt, hvilket er lig med dets masse ganget med accelerationen på grund af jordens tyngdekraft, g. Hvis objektet er på en skråt overflade som et skråt plan, er den normale kraft mindre, fordi mindre af tyngdekraften er vinkelret på planets overflade. Derfor bestemmes den normale kraft og i sidste ende friktionskraften ved hjælp af vektoranalyse, normalt via en fri Afhængig af situationen kan beregningen af den normale kraft omfatte andre kræfter end tyngdekraften.

Friktionskoefficient

friktionskoefficient (COF), ofte symboliseret med det græske bogstav µ, er en dimensioneløs skalær værdi, der beskriver forholdet mellem friktionskraften mellem to legemer og kraften, der presser dem sammen. Friktionskoefficienten afhænger af de anvendte materialer; for eksempel har is på stål en lav friktionskoefficient, mens gummi på fortov har en høj friktionskoefficient. Friktionskoefficienter spænder fra næsten nul til større end en. Det er et aksiom af arten af friktion mellem metaloverflader, at det er større mellem to overflader af lignende metaller end mellem to overflader af forskellige metaller – derfor vil messing have en højere friktionskoefficient, når den bevæges mod messing, men mindre, hvis den bevæges mod stål eller aluminium.

Til overflader i hvile i forhold til hinanden μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, hvor μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} er koefficienten for statisk friktion. Dette er normalt større end dets kinetiske modstykke.Koefficienten for statisk friktion, der udvises af et par kontaktflader, afhænger af de kombinerede virkninger af materialedeformationsegenskaber og overfladeruhed, som begge har deres oprindelse i den kemiske binding mellem atomer i hvert af bulkmaterialerne og mellem materialefladerne og enhver adsorberet materiale. Fraktaliteten af overflader, en parameter, der beskriver skaleringsadfærden for overflade-asperiteter, er kendt for at spille en vigtig rolle i bestemmelsen af størrelsen af den statiske friktion.

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

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

Selvom det ofte anføres, at COF er en “materialegenskab”, er den bedre kategoriseret som en “systemegenskab.” I modsætning til ægte materialegenskaber (såsom ledningsevne, dielektrisk konstant, flydespænding) afhænger COF for ethvert to materialer af systemvariabler som temperatur, hastighed, atmosfære og også det, der nu populært beskrives som ældningstider og døvende tider; såvel som på geometriske egenskaber ved grænsefladen mellem materialerne, nemlig overfladestruktur. For eksempel kan en kobberstift, der glider 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 selvfølgelig ikke COF entydigt; hvis stiftdiameteren øges, så friktionsopvarmningen fjernes hurtigt, falder temperaturen, stiften forbliver solid, og COF stiger til en test med “lav hastighed”.

Anslåede friktionskoefficienter

Under visse betingelser har nogle materialer meget lave friktionskoefficienter. Et eksempel er (stærkt ordnet pyrolytisk) grafit, som kan have en friktionskoefficient under 0,01. Dette ultralavfriktionsregime kaldes supersmørhed.

Statisk friktion

Statisk friktion er friktion mellem to eller flere faste genstande, der ikke bevæger sig i forhold til hinanden. For eksempel kan statisk friktion forhindre en genstand i at glide ned ad en skrånende overflade. Koefficienten for statisk friktion, typisk betegnet som μs, er normalt højere end koefficienten for kinetisk friktion. Statisk friktion anses for at opstå som et resultat af overfladeruhedsegenskaber på tværs af flere længdeskalaer på faste overflader. Disse funktioner, kendt som asperiteter, er til stede ned til dimensioner i nano-skala og resulterer i ægte fast til solid kontakt, der kun eksisterer ved et begrænset antal punkter, der kun tegner sig for en brøkdel af det tilsyneladende eller nominelle kontaktområde. Linjæriteten mellem påført belastning og ægte kontaktareal, der skyldes asperitetsdeformation, giver anledning til lineariteten mellem statisk friktionskraft og normal kraft, fundet for typisk friktion af Amonton-Coulomb-typen.

Den statiske friktionskraft skal være overvindes af en påført kraft, før en genstand kan bevæge sig. Den maksimalt mulige friktionskraft mellem to overflader, før glidningen begynder, er produktet af koefficienten for statisk friktion og den normale kraft: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Når der ikke sker nogen glidning, kan friktionskraften have en hvilken som helst værdi fra nul op til F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Enhver kraft, der er mindre end F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} som forsøger at glide den ene overflade over den anden, modsættes en friktionskraft af samme størrelse og modsat retning. Enhver kraft større end F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} overvinder kraften af statisk friktion og får glidning til at forekomme. Den øjeblikkelige glidning sker, statisk friktion kan ikke længere anvendes – friktionen mellem de to overflader kaldes derefter kinetisk friktion. Imidlertid kan en tilsyneladende statisk friktion observeres selv i tilfælde, hvor den sande statiske friktion er nul.

Et eksempel på statisk friktion er kraften, der forhindrer et bilhjul i at glide, når det ruller på jorden. Selvom hjulet er i bevægelse, er dækkets plet i kontakt med jorden stille i forhold til jorden, så det er statisk snarere end 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). Koefficienten for kinetisk friktion betegnes typisk som μk og er normalt mindre end koefficienten for statisk friktion for de samme materialer. Richard Feynman kommenterer imidlertid, at “med tørre metaller er det meget svært at udvise nogen forskel.” Friktionskraften mellem to overflader efter glidning begynder, er produktet af koefficienten for kinetisk friktion og den normale kraft: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

Nye modeller begynder at vise, hvordan kinetisk friktion kan være større end statisk friktion. I mange tilfælde forstås kinetisk friktion primært at være forårsaget af kemisk binding mellem overfladerne snarere end sammenkoblede asperiteter; i mange andre tilfælde er ruhedseffekter dog dominerende, for eksempel i gummi til vejfriktion. Overfladeruhed og kontaktareal påvirker kinetisk friktion for mikro- og nano-skala objekter, hvor overfladearealskræfter dominerer inerti-kræfter.

Oprindelsen til kinetisk friktion i nanoskala kan forklares ved termodynamik. Ved glidning dannes ny overflade bag på en glidende ægte kontakt, og eksisterende overflade forsvinder foran den. Da alle overflader involverer den termodynamiske overfladenergi, skal der bruges arbejde på at skabe den nye overflade, og energi frigøres som varme til fjernelse af overfladen. Således kræves en kraft til at bevæge kontakten bagpå, og friktionsvarme frigøres foran.

Friktionsvinkel

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

tan ⁡ θ = μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}

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

Friktion på atomniveau

Det er en udfordring at bestemme kræfterne, der kræves for at bevæge atomer forbi hinanden. designe nanomaskiner. I 2008 var forskere for første gang i stand til at bevæge et enkelt atom over en overflade og måle de krævede kræfter. Ved hjælp af ultrahøjt vakuum og næsten 0 temperatur (5 ° K) blev et modificeret atomkraftmikroskop anvendt til at trække et cobaltatom og et kuliltemolekyle over overflader af kobber og platin.

Begrænsninger af Coulomb-modellen

Coulomb-tilnærmelsen følger af antagelser om, at: overflader kun er i atomær tæt kontakt over en lille brøkdel af deres samlede areal; at dette kontaktareal er proportionalt med den normale kraft (indtil mætning, der finder sted, når alt areal 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 af tilnærmelsen er dens enkelhed og alsidighed. Selvom forholdet mellem normal kraft og friktionskraft ikke er nøjagtigt lineær (og så friktionskraften ikke er helt uafhængig af overfladenes kontaktareal), er Coulomb-tilnærmelsen en passende repræsentation af friktion til analyse af mange fysiske systemer.

Når overfladerne er sammenføjede, bliver Coulomb-friktion en meget dårlig tilnærmelse (f.eks. klæbebånd modstår glidning, selv når der ikke er nogen normal kraft eller en negativ normal kraft). I dette tilfælde kan friktionskraften afhænge stærkt af kontaktområdet. Nogle drag racing-dæk er klæbende af denne grund. På trods af kompleksiteten af den grundlæggende fysik bag friktion er forholdene nøjagtige nok til at være nyttige i mange applikationer.

“Negativ” friktionskoefficient

Fra 2012, en enkelt undersøgelse har vist potentialet for en effektiv negativ friktionskoefficient i lavlastregimet, hvilket betyder at et fald i normal kraft fører til en stigning i friktion. Dette modsiger hverdagens oplevelse, 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 over et grafenark i nærværelse af grafen-adsorberet ilt. / h3>

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

Tørfriktion og ustabilitet

Tørfriktion kan inducere flere typer ustabiliteter i mekaniske systemer som viser en stabil adfærd i fravær af friktion. Disse ustabiliteter kan være forårsaget af faldet i friktionskraften med en stigende glidningshastighed ved materialeudvidelse på grund af varmeudvikling under friktion (de termoelastiske ustabiliteter) eller ved rene dynamiske effekter af glidning af to elastiske materialer (Adams -Martins ustabilitet). Sidstnævnte blev oprindeligt opdaget i 1995 af George G. Adams og João Arménio Correia Martins til glatte overflader og blev senere fundet i periodiske ru overflader. Især menes friktionsrelaterede dynamiske ustabiliteter at være ansvarlige for bremsepræk 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 strygerne på strygeinstrumenter såsom violin, cello, hurdy-gurdy, erhu osv.

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

Friktionsinstabiliteter kan føre til dannelsen af nye selvorganiserede mønstre (eller “sekundære strukturer”) ved den glidende grænseflade, såsom in-situ dannede tribofilms som anvendes til reduktion af friktion og slid i såkaldte selvsmørende materialer.