摩擦

乾燥摩擦は、接触している2つの固体表面の相対的な横方向の動きに抵抗します。乾式摩擦の2つのレジームは、非移動面間の「静止摩擦」（「スティクション」）と、移動面間の動摩擦（滑り摩擦または動的摩擦と呼ばれることもあります）です。

クーロン摩擦。 Charles-Augustin de Coulombは、乾燥摩擦力の計算に使用される近似モデルです。これはモデルによって制御されます：

Ff≤μFn、{\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}}、}

where

クーロン摩擦Ff {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \、}は、ゼロからμFn {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \、}までの任意の値を取ることができます。 、および表面に対する摩擦力の方向は、摩擦がない場合に表面が経験する運動と反対です。したがって、静的な場合、摩擦力は、表面間の動きを防ぐために必要なものとまったく同じです。それはそのような動きを引き起こしがちな正味の力のバランスを取ります。この場合、実際の摩擦力の推定値を提供するのではなく、クーロン近似がこの力のしきい値を提供します。このしきい値を超えると、モーションが開始されます。この最大の力は牽引力として知られています。

摩擦力は常に、2つの表面間の動き（動摩擦の場合）または潜在的な動き（静止摩擦の場合）に対抗する方向に作用します。たとえば、氷に沿って滑るカーリングストーンは、氷を減速させる運動力を経験します。潜在的な動きの例として、加速する車の駆動輪には、前方を向いた摩擦力があります。そうしないと、車輪が回転し、ゴムが舗装に沿って後方にスライドします。反対する車両の移動方向ではなく、タイヤと道路の間を滑る（潜在的な）方向であることに注意してください。

垂直抗力

垂直抗力力は、2つの平行な表面を一緒に圧縮する正味の力として定義され、その方向は表面に垂直です。質量が水平面にある単純なケースでは、法線力の唯一の成分は重力による力です。ここで、N = m g {\ displaystyle N = mg \、}です。この場合、摩擦力の大きさは、物体の質量、重力による加速度、および摩擦係数の積です。ただし、摩擦係数は質量や体積の関数ではありません。それは材料にのみ依存します。たとえば、大きなアルミニウムブロックは小さなアルミニウムブロックと同じ摩擦係数を持っています。ただし、摩擦力自体の大きさは垂直抗力に依存するため、ブロックの質量に依存します。

オブジェクトが水平面にあり、オブジェクトをスライドさせる傾向のある力が水平である場合、オブジェクトと表面の間の垂直抗力N {\ displaystyle N \、}は、その重量に地球の摩擦による加速度を掛けたものに等しいだけです。g。オブジェクトが傾斜した表面にある場合傾斜面など、平面に垂直な重力が少ないため、法線力は小さくなります。したがって、法線力、および最終的には摩擦力は、ベクトル解析を使用して、通常は自由に決定されます。ボディダイアグラム。状況によっては、垂直抗力の計算に重力以外の力が含まれる場合があります。

摩擦係数

摩擦係数（COF）は、ギリシャ文字のµで表されることが多く、2つの物体間の摩擦力と、それらを互いに押し付ける力の比率を表す無次元のスカラー値です。摩擦係数は、使用する材料によって異なります。たとえば、鋼の氷は摩擦係数が低く、舗装のゴムは摩擦係数が高くなります。摩擦係数は、ほぼゼロから1より大きい範囲です。金属表面間の摩擦の性質の公理は、異なる金属の2つの表面間よりも、類似した金属の2つの表面間で大きいことです。したがって、真ちゅうは、真ちゅうに対して移動すると摩擦係数が高くなりますが、真ちゅうに対して移動すると摩擦係数が小さくなります。鋼またはアルミニウム。

相互に静止している表面の場合μ=μs{\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \、}、ここでμs{\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \、}は静摩擦係数です。これは通常、動的な対応物よりも大きくなります。一対の接触面が示す静摩擦係数は、材料の変形特性と表面粗さの複合効果に依存します。これらは両方とも、各バルク材料の原子間および材料表面と吸着物。表面の凹凸のスケーリング動作を説明するパラメータである表面のフラクタル性は、静摩擦の大きさを決定する上で重要な役割を果たすことが知られています。

Arthur Morinはこの用語を紹介し、係数の有用性を示しました。摩擦の。摩擦係数は経験的な測定値です。実験的に測定する必要があり、計算では見つけることができません。粗い表面は、より高い実効値を持つ傾向があります。静摩擦係数と動摩擦係数はどちらも、接触している表面のペアに依存します。与えられた表面のペアでは、静摩擦係数は通常、動摩擦係数よりも大きくなります。テフロンオンテフロンのように、2つの係数が等しいセットもあります。

ほとんどの乾燥材料の組み合わせでは、摩擦係数の値が0.3〜0.6になります。この範囲外の値はまれですが、たとえばテフロンの係数は0.04まで低くなる可能性があります。ゼロの値は、摩擦がまったくないことを意味し、とらえどころのない特性です。ゴムが他の表面と接触すると、摩擦係数が1〜2になることがあります。µは常に< 1であると維持される場合がありますが、これは当てはまりません。最も関連性の高いアプリケーションµ < 1では、1を超える値は、オブジェクトを表面に沿ってスライドさせるのに必要な力が、オブジェクトに対する表面の垂直力よりも大きいことを意味します。たとえば、シリコーンゴムまたはアクリルゴムでコーティングされた表面の摩擦係数は1よりも大幅に大きくなる可能性があります。

COFは「材料特性」であるとよく言われますが、より適切に分類されます。 「システムプロパティ」として。真の材料特性（導電率、誘電率、降伏強度など）とは異なり、任意の2つの材料のCOFは、温度、速度、雰囲気などのシステム変数と、現在一般的にエージング時間およびエージング時間と呼ばれているものに依存します。材料間の界面の幾何学的特性、すなわち表面構造についても同様です。たとえば、厚い銅板に対してスライドする銅ピンのCOFは、低速での0.6（金属が金属に対してスライドする）から、摩擦加熱によって銅表面が溶け始める高速で0.2未満まで変化する可能性があります。もちろん、後者の速度はCOFを一意に決定するものではありません。ピンの直径を大きくして摩擦加熱を急速に取り除くと、温度が下がり、ピンはしっかりしたままになり、COFは「低速」テストのCOFまで上昇します。

おおよその摩擦係数

特定の条件下では、一部の材料の摩擦係数は非常に低くなります。例として、摩擦係数が0.01未満の（高配向性熱分解）グラファイトがあります。この超低摩擦領域は超潤滑性と呼ばれます。

静摩擦

静摩擦は、静止摩擦に対して移動していない2つ以上の固体オブジェクト間の摩擦です。お互い。たとえば、静摩擦により、物体が傾斜面を滑り落ちるのを防ぐことができます。通常μsで表される静摩擦係数は、通常、動摩擦係数よりも高くなります。静摩擦は、固体表面の複数の長さスケールにわたる表面粗さの特徴の結果として発生すると考えられています。凹凸として知られるこれらの特徴は、ナノスケールの寸法まで存在し、見かけのまたは公称の接触面積のごく一部を占める限られた数の点にのみ存在する真の固体から固体への接触をもたらします。凹凸の変形から生じる、加えられた荷重と真の接触面積の間の線形性は、典型的なアモントン-クーロンタイプの摩擦で見られる静摩擦力と垂直力の間の線形性を生じさせます。

静摩擦力はオブジェクトが移動する前に、加えられた力によって克服されます。スライドが始まる前の2つの表面間の最大可能な摩擦力は、静摩擦係数と垂直力の積です。Fmax =μsFn{\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \、}。スライドが発生していない場合、摩擦力はゼロからF m a x {\ displaystyle F_ {max} \、}までの任意の値になります。一方の表面をもう一方の表面上でスライドさせようとするFm a x {\ displaystyle F_ {max} \、}より小さい力は、同じ大きさで反対方向の摩擦力に対抗します。 F m a x {\ displaystyle F_ {max} \、}より大きい力は、静止摩擦の力に打ち勝ち、スライドが発生します。瞬時に滑りが発生すると、静摩擦は適用されなくなります。2つの表面間の摩擦は動摩擦と呼ばれます。ただし、真の静摩擦がゼロの場合でも、見かけの静摩擦が見られます。

静摩擦の例としては、車の車輪が地面を転がるときに滑るのを防ぐ力があります。ホイールが動いている場合でも、地面と接触しているタイヤのパッチは地面に対して静止しているため、動摩擦ではなく静止しています。

動きが差し迫っているときの静止摩擦の最大値は、限界摩擦と呼ばれることもありますが、この用語は普遍的に使用されていません。

動摩擦

動摩擦は、動摩擦または滑り摩擦とも呼ばれ、2つのオブジェクトが互いに対して移動し、互いにこすり合うときに発生します（地面のそりのように）。動摩擦係数は通常μkで表され、通常は同じ材料の静摩擦係数よりも小さくなります。ただし、Richard Feynmanは、「乾燥した金属では、違いを示すのは非常に困難です」とコメントしています。スライド開始後の2つの表面間の摩擦力は、動摩擦係数と垂直力の積です。Fk=μkFn {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \、}。

新しいモデルは、動摩擦が静摩擦よりも大きくなる可能性があることを示し始めています。現在、動摩擦は、多くの場合、凹凸を連動させるのではなく、主に表面間の化学結合によって引き起こされると理解されています。ただし、他の多くの場合、たとえばゴムと道路の摩擦では、粗さの影響が支配的です。表面粗さと接触面積は、表面積力が慣性力を支配するマイクロスケールおよびナノスケールの物体の動摩擦に影響を与えます。

ナノスケールでの動摩擦の起源は、熱力学によって説明できます。スライドすると、スライドする真の接触の後ろに新しい表面が形成され、その前に既存の表面が消えます。すべての表面には熱力学的表面エネルギーが含まれているため、新しい表面の作成に作業を費やす必要があり、エネルギーは表面を除去する際に熱として放出されます。したがって、接点の背面を動かすには力が必要であり、前面で摩擦熱が放出されます。

摩擦角

特定のアプリケーションでは、アイテムの1つがスライドを開始する前の最大角度で静止摩擦を定義すると便利です。これは、摩擦角または摩擦角と呼ばれます。

tan⁡θ=μs{\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \、}

ここで、θは水平からの角度とµsです。オブジェクト間の静的摩擦係数です。この式は、摩擦角の経験的測定値からµsを計算するためにも使用できます。

原子レベルでの摩擦

原子を互いに通過させるのに必要な力を決定することは、ナノマシンの設計。 2008年に、科学者は初めて表面を横切って単一の原子を動かし、必要な力を測定することができました。超高真空とほぼゼロ温度（5ºK）を使用して、修正された原子間力顕微鏡を使用して、銅とプラチナの表面全体にコバルト原子と一酸化炭素分子をドラッグしました。

クーロンモデルの制限

クーロン近似は、次の仮定に基づいています。表面は、全体の面積のごく一部でのみ原子的に密接に接触しています。この接触面積は法線力に比例します（すべての面積が原子接触しているときに発生する飽和まで）。また、摩擦力は、接触面積に関係なく、加えられた法線力に比例します。クーロン近似は、基本的に経験的な構成です。これは、非常に複雑な物理的相互作用のおおよその結果を説明する経験則です。近似の強みは、その単純さと汎用性です。垂直力と摩擦力の関係は正確に線形ではありませんが（したがって、摩擦力は表面の接触面積から完全に独立しているわけではありません）、クーロン近似は多くの物理システムの分析に適した摩擦の表現です。

表面が結合されている場合、クーロン摩擦は非常に貧弱な近似になります（たとえば、垂直抗力または負の法線力がない場合でも、粘着テープは滑りに抵抗します）。この場合、摩擦力は接触面積に強く依存する可能性があります。このため、一部のドラッグレースタイヤは粘着性があります。ただし、摩擦の背後にある基本的な物理学の複雑さにもかかわらず、関係は多くのアプリケーションで役立つほど正確です。

「負の」摩擦係数

2012年現在、単一研究では、低負荷領域で効果的に負の摩擦係数が発生する可能性があることが示されています。これは、垂直抗力の減少が摩擦の増加につながることを意味します。これは、垂直抗力の増加が摩擦の増加につながるという日常の経験と矛盾します。これは、2012年10月にジャーナルNatureで報告され、グラフェン吸着酸素の存在下でグラフェンシート上をドラッグしたときに原子間力顕微鏡スタイラスが遭遇する摩擦に関係していました。

クーロンモデルの数値シミュレーション

摩擦の単純化されたモデルであるにもかかわらず、クーロンモデルは、マルチボディシステムや粒状材料などの多くの数値シミュレーションアプリケーションで役立ちます。その最も単純な表現でさえ、多くの応用ケースで必要とされる粘着と滑りの基本的な効果をカプセル化しますが、クーロン摩擦と両側または片側接触を備えた機械システムを効率的に数値積分するために特定のアルゴリズムを設計する必要があります。いわゆるパンルヴェのパラドックスなど、いくつかの非常に非線形な効果は、クーロン摩擦で発生する可能性があります。

乾燥摩擦と不安定性

乾燥摩擦は、機械システムにいくつかのタイプの不安定性を引き起こす可能性があります。摩擦がなくても安定した動作を示します。これらの不安定性は、滑り速度の増加に伴う摩擦力の減少、摩擦中の発熱による材料の膨張（熱弾性不安定性）、または2つの弾性材料の滑りの純粋な動的効果（Adams）によって引き起こされる可能性があります。 -マーティンズの不安定性）。後者は、1995年にジョージG.アダムスとジョアンアルメーニオコレイアマルティンスによって滑らかな表面のために最初に発見され、後に周期的な粗い表面で発見されました。特に、摩擦に関連する動的不安定性は、速度に伴う摩擦係数の低下としてモデル化された、スティックスリップを伴う現象であるガラスハープのブレーキ鳴きと「歌」の原因であると考えられています。

実用的に重要なケースは、バイオリン、チェロ、ハーディガーディ、エルフなどの曲がった楽器の弦の自励発振です。

単純な機械システムにおける乾燥摩擦とフラッター不安定性の関係が発見されました。詳細については、映画をご覧ください。

摩擦による不安定性により、その場で形成される摩擦膜など、スライド界面に新しい自励発振パターン（または「二次構造」）が形成される可能性があります。いわゆる自励発振材料の摩擦と摩耗を低減するために利用されます。