Friksjon

Tørr friksjon motstår relativ lateral bevegelse av to faste overflater i kontakt. De to regimene med tørr friksjon er «statisk friksjon» («stiksjon») mellom ikke-bevegelige overflater og kinetisk friksjon (noen ganger kalt glidende friksjon eller dynamisk friksjon) mellom bevegelige overflater.

Coulomb-friksjon, oppkalt etter Charles-Augustin de Coulomb, er en omtrentlig modell som brukes til å beregne kraften av tørr friksjon. Den styres av modellen:

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

hvor

Coulomb-friksjonen F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} kan ta en hvilken som helst verdi fra null til μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} , og retningen av friksjonskraften mot en overflate er motsatt bevegelsen som overflaten ville oppleve i fravær av friksjon. Således, i det statiske tilfellet, er friksjonskraften nøyaktig hva den må være for å forhindre bevegelse mellom overflatene; det balanserer nettokraften som har en tendens til å forårsake slik bevegelse. I dette tilfellet, i stedet for å gi et estimat av den faktiske friksjonskraften, gir Coulomb-tilnærmingen en terskelverdi for denne kraften, over hvilken bevegelse vil begynne. Denne maksimale kraften kalles trekkraft.

Friksjonskraften utøves alltid i en retning som motarbeider bevegelse (for kinetisk friksjon) eller potensiell bevegelse (for statisk friksjon) mellom de to flatene. For eksempel opplever en krøllstein som glir langs isen en kinetisk kraft som bremser den. For et eksempel på potensiell bevegelse opplever drivhjulene til en akselererende bil en friksjonskraft som peker fremover; hvis de ikke gjorde det, ville hjulene spinne, og gummien ville gli bakover langs fortauet. Merk at det ikke er retningen til kjøretøyet de motsetter seg, det er retningen for (potensiell) glidning mellom dekk og vei.

Normal kraft

Den normale kraft er definert som nettokraften som komprimerer to parallelle flater sammen, og retningen er vinkelrett på flatene. I det enkle tilfellet med en masse som hviler på en horisontal overflate, er den eneste komponenten i den normale kraften kraften på grunn av tyngdekraften, der N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. I dette tilfellet er størrelsen på friksjonskraften produktet av gjenstandens masse, akselerasjonen på grunn av tyngdekraften og friksjonskoeffisienten. Friksjonskoeffisienten er imidlertid ikke en funksjon av masse eller volum; det avhenger bare av materialet. For eksempel har en stor aluminiumsblokk samme friksjonskoeffisient som en liten aluminiumsblokk. Størrelsen på selve friksjonskraften avhenger imidlertid av den normale kraften, og dermed av massen til blokken.

Hvis en gjenstand er på en jevn overflate, og kraften som har en tendens til å få den til å gli, er horisontal , er den normale kraften N {\ displaystyle N \,} mellom objektet og overflaten bare dens vekt, som er lik massen multiplisert med akselerasjonen på grunn av jordens tyngdekraft, g. Hvis objektet er på en skrå overflate som et skrått plan, er den normale kraften mindre, fordi mindre av tyngdekraften er vinkelrett på planetens overflate. Derfor bestemmes den normale kraften, og til slutt friksjonskraften, ved hjelp av vektoranalyse, vanligvis via en fri kroppsdiagram. Avhengig av situasjonen kan beregningen av den normale kraften omfatte andre krefter enn tyngdekraften.

Friksjonskoeffisient

The friksjonskoeffisient (COF), ofte symbolisert med den greske bokstaven µ, er en dimensjonsløs skalarverdi som beskriver forholdet mellom friksjonskraften mellom to legemer og kraften som presser dem sammen. Friksjonskoeffisienten avhenger av materialene som brukes; for eksempel har is på stål lav friksjonskoeffisient, mens gummi på fortau har høy friksjonskoeffisient. Friksjonskoeffisienter varierer fra nær null til større enn en. Det er et aksiom av arten av friksjon mellom metalloverflater at det er større mellom to overflater av lignende metaller enn mellom to overflater av forskjellige metaller – derfor vil messing ha en høyere friksjonskoeffisient når den beveges mot messing, men mindre hvis den beveges mot stål eller aluminium.

For overflater i hvile i forhold til hverandre μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, der μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} er koeffisienten for statisk friksjon. Dette er vanligvis større enn dets kinetiske motstykke.Koeffisienten for statisk friksjon som fremvises av et par kontaktflater avhenger av de kombinerte effektene av materialdeformasjonsegenskaper og overflateruhet, som begge har sitt utspring i den kjemiske bindingen mellom atomer i hvert av bulkmaterialene og mellom materialoverflatene og evt. adsorbert materiale. Fraktaliteten til overflater, en parameter som beskriver skaleringsoppførselen til overflate-asperiteter, er kjent for å spille en viktig rolle for å bestemme størrelsen på den statiske friksjonen.

Arthur Morin introduserte begrepet og demonstrerte bruken av koeffisienten. av friksjon. Friksjonskoeffisienten er en empirisk måling – den må måles eksperimentelt, og kan ikke bli funnet gjennom beregninger. Grovere overflater har en tendens til å ha høyere effektive verdier. Både statiske og kinetiske friksjonskoeffisienter avhenger av overflateparet i kontakt; for et gitt par overflater er statisk friksjonskoeffisient vanligvis større enn kinetisk friksjon; i noen sett er de to koeffisientene like, slik som teflon-på-teflon.

De fleste tørre materialer i kombinasjon har friksjonskoeffisientverdier mellom 0,3 og 0,6. Verdier utenfor dette området er sjeldnere, men for eksempel teflon kan ha en koeffisient så lav som 0,04. En verdi på null ville bety ingen friksjon i det hele tatt, en unnvikende egenskap. Gummi i kontakt med andre overflater kan gi friksjonskoeffisienter fra 1 til 2. Noen ganger opprettholdes det at µ alltid er < 1, men dette stemmer ikke. Mens i de fleste relevante applikasjoner µ < 1, betyr en verdi over 1 bare at kraften som kreves for å skyve et objekt langs overflaten er større enn den normale kraften til overflaten på objektet. For eksempel har silikongummi eller akrylgummibelagte overflater en friksjonskoeffisient som kan være vesentlig større enn 1.

Selv om det ofte blir uttalt at COF er en «materialegenskap», er den bedre kategorisert som en «systemegenskap.» I motsetning til virkelige materialegenskaper (som ledningsevne, dielektrisk konstant, flytegrense), avhenger COF for hvilket som helst to materialer av systemvariabler som temperatur, hastighet, atmosfære og også det som nå populært blir beskrevet som aldring og døvende tider; så vel som på geometriske egenskaper til grensesnittet mellom materialene, nemlig overflatestruktur. For eksempel kan en kobberpinne som glir mot en tykk kobberplate ha en COF som varierer fra 0,6 ved lave hastigheter (metall som glir mot metall) til under 0,2 ved høye hastigheter når kobberoverflaten begynner å smelte på grunn av friksjonsoppvarming. Sistnevnte hastighet bestemmer selvfølgelig ikke COF unikt; hvis pinnediameteren økes slik at friksjonsoppvarmingen fjernes raskt, faller temperaturen, pinnen forblir solid og COF stiger til en test med «lav hastighet».

Omtrentlig friksjonskoeffisient

Under visse forhold har noen materialer veldig lave friksjonskoeffisienter. Et eksempel er (høyt ordnet pyrolytisk) grafitt som kan ha en friksjonskoeffisient under 0,01.Dette ultralavfriksjonsregimet kalles supersmørhet.

Statisk friksjon

Statisk friksjon er friksjon mellom to eller flere faste objekter som ikke beveger seg i forhold til hverandre. For eksempel kan statisk friksjon forhindre at en gjenstand glir nedover en skrånende overflate. Koeffisienten for statisk friksjon, vanligvis betegnet som μs, er vanligvis høyere enn koeffisienten for kinetisk friksjon. Statisk friksjon anses å oppstå som et resultat av overflateruhetsfunksjoner over flere lengdeskalaer på faste overflater. Disse egenskapene, kjent som asperiteter, er tilstede ned til dimensjoner på nano-skala og resulterer i at ekte solid til solid kontakt eksisterer bare på et begrenset antall punkter, og utgjør bare en brøkdel av det tilsynelatende eller nominelle kontaktområdet. Linjæriteten mellom påført belastning og ekte kontaktareal, som oppstår ved asperitetsdeformasjon, gir opphav til lineariteten mellom statisk friksjonskraft og normal kraft, funnet for typisk friksjon av Amonton-Coulomb-typen.

Den statiske friksjonskraften må være overvinnes av en påført kraft før et objekt kan bevege seg. Den maksimale mulige friksjonskraften mellom to flater før skyvingen begynner, er produktet av koeffisienten for statisk friksjon og den normale kraften: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Når det ikke forekommer glidning, kan friksjonskraften ha en hvilken som helst verdi fra null til F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Enhver kraft mindre enn F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} som prøver å skyve den ene overflaten over den andre, motsettes av en friksjonskraft av samme størrelse og motsatt retning. Enhver kraft større enn F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} overvinner kraften til statisk friksjon og får glidning til å oppstå. Øyeblikkelig glidning skjer, statisk friksjon er ikke lenger aktuelt – friksjonen mellom de to flatene kalles da kinetisk friksjon. Imidlertid kan en tilsynelatende statisk friksjon observeres selv i tilfelle når den virkelige statiske friksjonen er null.

Et eksempel på statisk friksjon er kraften som forhindrer at et bilhjul sklir når det ruller på bakken. Selv om hjulet er i bevegelse, er dekklappen i kontakt med bakken stasjonær i forhold til bakken, så det er statisk snarere enn kinetisk friksjon.

Den maksimale verdien av statisk friksjon, når bevegelse er nært forestående, blir noen ganger referert til som begrensende friksjon, selv om dette begrepet ikke brukes universelt.

Kinetisk friksjon

Kinetisk friksjon, også kjent som dynamisk friksjon eller glidende friksjon, oppstår når to gjenstander beveger seg i forhold til hverandre og gni sammen (som en slede på bakken). Koeffisienten for kinetisk friksjon er vanligvis betegnet som μk, og er vanligvis mindre enn koeffisienten for statisk friksjon for de samme materialene. Imidlertid kommenterer Richard Feynman at «med tørre metaller er det veldig vanskelig å vise noen forskjell.» Friksjonskraften mellom to flater etter at skyvingen begynner er produktet av koeffisienten for kinetisk friksjon og den normale kraften: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

Nye modeller begynner å vise hvordan kinetisk friksjon kan være større enn statisk friksjon. Kinetisk friksjon forstås nå, i mange tilfeller, hovedsakelig forårsaket av kjemisk binding mellom overflatene, snarere enn sammenkoblede asperiteter; i mange andre tilfeller er imidlertid ruhetseffekter dominerende, for eksempel i gummi til vegfriksjon. Overflateruhet og kontaktareal påvirker kinetisk friksjon for mikro- og nano-skala objekter der overflatekrefter dominerer treghetskrefter.

Opprinnelsen til kinetisk friksjon i nanoskala kan forklares med termodynamikk. Ved gliding dannes ny overflate på baksiden av en glidende ekte kontakt, og eksisterende overflate forsvinner foran den. Siden alle overflater involverer den termodynamiske overflatenergien, må det brukes arbeid på å skape den nye overflaten, og energi frigjøres som varme for å fjerne overflaten. Dermed kreves en kraft for å bevege baksiden av kontakten, og friksjonsvarme frigjøres foran.

Friksjonsvinkel

For visse applikasjoner er det mer nyttig å definere statisk friksjon i form av den maksimale vinkelen før et av elementene begynner å gli. Dette kalles friksjonsvinkelen eller friksjonsvinkelen. Det er definert som:

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

der θ er vinkelen fra horisontal og µs er den statiske friksjonskoeffisienten mellom gjenstandene. Denne formelen kan også brukes til å beregne µs fra empiriske målinger av friksjonsvinkelen.

Friksjon på atomnivå

Å bestemme kreftene som kreves for å bevege atomer forbi hverandre er en utfordring i designe nanomaskiner. I 2008 kunne forskere for første gang bevege et enkelt atom over en overflate og måle kreftene som kreves. Ved hjelp av ultrahøyt vakuum og nesten null temperatur (5 ° K) ble et modifisert atomkraftmikroskop brukt til å trekke et koboltatom og et karbonmonoksidmolekyl over overflater av kobber og platina.

Begrensninger for Coulomb-modellen

Coulomb-tilnærmingen følger av antagelsene om at: overflater er i atomisk nærkontakt bare over en liten brøkdel av deres totale areal; at dette kontaktarealet er proporsjonalt med normal kraft (til metning, som finner sted når alt areal er i atomkontakt); og at friksjonskraften er proporsjonal med den påførte normale kraften, uavhengig av kontaktområdet. Coulomb-tilnærmingen er fundamentalt en empirisk konstruksjon. Det er en tommelfingerregel som beskriver det omtrentlige resultatet av en ekstremt komplisert fysisk interaksjon. Styrken til tilnærmingen er dens enkelhet og allsidighet. Selv om forholdet mellom normal kraft og friksjonskraft ikke er akkurat lineær (og slik at friksjonskraften ikke er helt uavhengig av kontaktflaten til overflatene), er Coulomb-tilnærmingen en tilstrekkelig representasjon av friksjon for analyse av mange fysiske systemer.

Når overflatene er sammenføyde, blir Coulomb-friksjonen en veldig dårlig tilnærming (for eksempel motstår klebebånd glid selv om det ikke er noen normal kraft eller en negativ normal kraft). I dette tilfellet kan friksjonskraften avhenge sterkt av kontaktområdet. Noen drag racing dekk er selvklebende av denne grunn. Til tross for kompleksiteten til den grunnleggende fysikken bak friksjon, er forholdene nøyaktige nok til å være nyttige i mange applikasjoner.

«Negativ» friksjonskoeffisient

Fra 2012, en enkelt studie har vist potensialet for en effektiv negativ friksjonskoeffisient i lavlastregimet, noe som betyr at en reduksjon i normal kraft fører til en økning i friksjon. Dette strider mot hverdagsopplevelsen der en økning i normal kraft fører til en økning i friksjon. Dette ble rapportert i tidsskriftet Nature i oktober 2012 og involverte friksjonen som en atomkraftmikroskoppenn møtte når den ble dratt over et grafenark i nærvær av grafen-adsorbert oksygen.

Numerisk simulering av Coulomb-modellen

Til tross for at den er en forenklet friksjonsmodell, er Coulomb-modellen nyttig i mange numeriske simuleringsapplikasjoner som multikroppssystemer og granulært materiale. Selv det mest enkle uttrykket innkapsler de grunnleggende effektene av stikking og glidning som kreves i mange anvendte tilfeller, selv om spesifikke algoritmer må utformes for effektivt å numerisk integrere mekaniske systemer med Coulomb-friksjon og bilateral eller ensidig kontakt. Noen ganske ikke-lineære effekter, som de såkalte Painlevé-paradoksene, kan oppstå med Coulomb-friksjon.

Tørr friksjon og ustabilitet

Tørr friksjon kan indusere flere typer ustabilitet i mekaniske systemer som viser en stabil oppførsel i fravær av friksjon. Disse ustabilitetene kan være forårsaket av reduksjon av friksjonskraften med økende glidningshastighet, av materialutvidelse på grunn av varmeutvikling under friksjon (de termoelastiske ustabilitetene), eller av rene dynamiske effekter av glidning av to elastiske materialer (Adams -Martins ustabilitet). Sistnevnte ble opprinnelig oppdaget i 1995 av George G. Adams og João Arménio Correia Martins for glatte overflater og ble senere funnet i periodiske grove overflater. Spesielt antas friksjonsrelaterte dynamiske ustabiliteter å være ansvarlige for bremseknusing og «sangen» til en glassharpe, fenomener som involverer stokk og glid, modellert som en dråpe friksjonskoeffisient med hastighet.

Et praktisk viktig tilfelle er selvsvingningen av strengene til strykeinstrumenter som fiolin, cello, hurdy-gurdy, erhu, etc.

En sammenheng mellom tørr friksjon og flagrende ustabilitet i et enkelt mekanisk system har blitt oppdaget, se filmen for mer informasjon.

Friksjonsstabiliteter kan føre til dannelsen av nye selvorganiserte mønstre (eller «sekundære strukturer») ved det glidende grensesnittet, for eksempel in situ-dannede tribofilmer som brukes til å redusere friksjon og slitasje i såkalte selvsmørende materialer.