Fricțiunea

Fricțiunea uscată rezistă mișcării laterale relative a două suprafețe solide în contact. Cele două regimuri de frecare uscată sunt „frecare statică” („fricțiune”) între suprafețe care nu se mișcă și frecare cinetică (uneori numită frecare glisantă sau frecare dinamică) între suprafețe în mișcare.

Fricțiunea Coulomb, numită după Charles-Augustin de Coulomb, este un model aproximativ folosit pentru a calcula forța de frecare uscată. Este guvernat de model:

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

unde

Fricțiunea Coulomb F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} poate lua orice valoare de la zero până la μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} , iar direcția forței de frecare împotriva unei suprafețe este opusă mișcării pe care ar experimenta-o suprafața în absența fricțiunii. Astfel, în cazul static, forța de frecare este exact ceea ce trebuie să fie pentru a preveni mișcarea între suprafețe; echilibrează forța netă care tinde să provoace o asemenea mișcare. În acest caz, mai degrabă decât să furnizeze o estimare a forței efective de frecare, aproximarea Coulomb oferă o valoare prag pentru această forță, peste care ar începe mișcarea. Această forță maximă este cunoscută sub numele de tracțiune.

Forța de frecare este exercitată întotdeauna într-o direcție care se opune mișcării (pentru frecare cinetică) sau mișcării potențiale (pentru frecare statică) între cele două suprafețe. De exemplu, o piatră de curling care alunecă de-a lungul gheții experimentează o forță cinetică care o încetinește. Pentru un exemplu de mișcare potențială, roțile motoare ale unei mașini care accelerează au o forță de frecare îndreptată înainte; dacă nu, roțile se învârteau, iar cauciucul aluneca înapoi de-a lungul trotuarului. Rețineți că nu este direcția de mișcare a vehiculului la care se opun, ci direcția de (potențial) alunecare între anvelopă și drum.

Forța normală

Normal forța este definită ca forța netă care comprimă două suprafețe paralele împreună, iar direcția sa este perpendiculară pe suprafețe. În cazul simplu al unei mase care se sprijină pe o suprafață orizontală, singura componentă a forței normale este forța datorată gravitației, unde N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. În acest caz, amploarea forței de frecare este produsul masei obiectului, al accelerației datorate gravitației și al coeficientului de frecare. Cu toate acestea, coeficientul de frecare nu este o funcție de masă sau volum; depinde doar de material. De exemplu, un bloc de aluminiu mare are același coeficient de frecare ca un bloc de aluminiu mic. Cu toate acestea, amploarea forței de frecare în sine depinde de forța normală și, prin urmare, de masa blocului.

Dacă un obiect se află pe o suprafață plană și forța care tinde să-l alunece este orizontală , forța normală N {\ displaystyle N \,} între obiect și suprafață este doar greutatea sa, care este egală cu masa sa înmulțită cu accelerația datorată gravitației pământului, g. Dacă obiectul se află pe o suprafață înclinată cum ar fi un plan înclinat, forța normală este mai mică, deoarece mai puțină forță de greutate este perpendiculară pe fața planului. Prin urmare, forța normală și, în cele din urmă, forța de frecare, sunt determinate utilizând analiza vectorială, de obicei printr-o diagramă corporală. În funcție de situație, calculul forței normale poate include alte forțe decât gravitația.

Coeficientul de frecare

The coeficientul de frecare (COF), adesea simbolizat prin litera greacă µ, este o valoare scalară adimensională care descrie raportul forței de frecare dintre două corpuri și forța care le presează împreună. Coeficientul de frecare depinde de materialele utilizate; de exemplu, gheața pe oțel are un coeficient de frecare scăzut, în timp ce cauciucul pe trotuar are un coeficient de frecare ridicat. Coeficienții de frecare variază de la aproape zero la mai mare de unul. Este o axiomă a naturii fricțiunii dintre suprafețele metalice că este mai mare între două suprafețe de metale similare decât între două suprafețe de metale diferite – prin urmare, alama va avea un coeficient de frecare mai mare atunci când este mutat împotriva alamei, dar mai puțin dacă este mutat împotriva oțel sau aluminiu.

Pentru suprafețele în repaus unul față de altul μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, unde μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} este coeficientul de frecare statică. Acest lucru este de obicei mai mare decât omologul său cinetic.Coeficientul de frecare static prezentat de o pereche de suprafețe de contact depinde de efectele combinate ale caracteristicilor de deformare a materialului și de rugozitatea suprafeței, ambele având originea în legătura chimică între atomi în fiecare dintre materialele în vrac și între suprafețele materiale și material adsorbit. Fractalitatea suprafețelor, un parametru care descrie comportamentul de scalare a asperităților de suprafață, este cunoscut că joacă un rol important în determinarea amplorii fricțiunii statice.

Arthur Morin a introdus termenul și a demonstrat utilitatea coeficientului de frecare. Coeficientul de frecare este o măsurare empirică – trebuie măsurat experimental și nu poate fi găsit prin calcule. Suprafețele mai rugoase tind să aibă valori efective mai mari. Atât coeficienții de frecare statici, cât și cei cinetici depind de perechea de suprafețe în contact; pentru o pereche dată de suprafețe, coeficientul de frecare static este de obicei mai mare decât cel al fricțiunii cinetice; în unele seturi, cei doi coeficienți sunt egali, cum ar fi teflon-pe-teflon.

Majoritatea materialelor uscate în combinație au valori ale coeficientului de frecare între 0,3 și 0,6. Valorile din afara acestui interval sunt mai rare, dar teflonul, de exemplu, poate avea un coeficient de până la 0,04. O valoare zero nu ar însemna deloc frecare, o proprietate evazivă. Cauciucul în contact cu alte suprafețe poate produce coeficienți de frecare de la 1 la 2. Ocazional se menține că µ este întotdeauna < 1, dar acest lucru nu este adevărat. În timp ce în majoritatea aplicațiilor relevante µ < 1, o valoare peste 1 implică doar că forța necesară pentru a aluneca un obiect de-a lungul suprafeței este mai mare decât forța normală a suprafeței pe obiect. De exemplu, suprafețele acoperite cu cauciuc siliconic sau cauciuc acrilic au un coeficient de frecare care poate fi substanțial mai mare de 1.

Deși se spune adesea că COF este o „proprietate materială”, este mai bine clasificat ca „proprietate de sistem”. Spre deosebire de proprietățile adevărate ale materialului (cum ar fi conductivitatea, constanta dielectrică, rezistența la randament), COF pentru oricare două materiale depinde de variabilele sistemului, cum ar fi temperatura, viteza, atmosfera și, de asemenea, ceea ce este acum descris popular ca timp de îmbătrânire și de scurgere; precum și asupra proprietăților geometrice ale interfeței dintre materiale, și anume structura suprafeței. De exemplu, un știft de cupru care alunecă pe o placă groasă de cupru poate avea un COF care variază de la 0,6 la viteze mici (metalul alunecând împotriva metalului) până la sub 0,2 la viteze mari atunci când suprafața de cupru începe să se topească datorită încălzirii prin frecare. Această din urmă viteză, desigur, nu determină COF în mod unic; dacă diametrul știftului este crescut astfel încât încălzirea prin frecare este îndepărtată rapid, temperatura scade, știftul rămâne solid și COF crește la cel al unui test de „viteză mică”.

Coeficienți aproximativi de frecare

În anumite condiții, unele materiale au coeficienți de frecare foarte mici. Un exemplu este grafitul (pirolitic extrem de ordonat) care poate avea un coeficient de frecare sub 0,01. Acest regim de frecare ultra-mică se numește superlubricitate.

Frecare statică

Fricțiunea statică este fricțiunea dintre două sau mai multe obiecte solide care nu se mișcă în raport cu reciproc. De exemplu, frecarea statică poate împiedica alunecarea unui obiect pe o suprafață înclinată. Coeficientul de frecare statică, de obicei denumit μs, este de obicei mai mare decât coeficientul de frecare cinetică. Se consideră că fricțiunea statică apare ca urmare a caracteristicilor de rugozitate a suprafeței pe scări multiple de lungime la suprafețe solide. Aceste caracteristici, cunoscute sub numele de asperități, sunt prezente până la dimensiunile nano-scării și au ca rezultat un adevărat contact solid-solid, existând doar la un număr limitat de puncte, reprezentând doar o fracțiune din aria de contact aparentă sau nominală. Liniaritatea dintre sarcina aplicată și zona de contact reală, care rezultă din deformarea asperității, dă naștere la liniaritatea dintre forța de frecare statică și forța normală, găsită pentru fricțiunea tipică tip Amonton-Coulomb.

Forța de frecare statică trebuie să fie depășită de o forță aplicată înainte ca un obiect să se poată mișca. Forța maximă de frecare posibilă între două suprafețe înainte de a începe alunecarea este produsul coeficientului de frecare statică și a forței normale: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Atunci când nu se produce alunecare, forța de frecare poate avea orice valoare de la zero până la F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Orice forță mai mică decât F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} care încearcă să alunece o suprafață peste cealaltă este opusă de o forță de frecare de magnitudine egală și direcție opusă. Orice forță mai mare decât F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} depășește forța de frecare statică și provoacă alunecarea. Alunecarea instantanee are loc, frecarea statică nu mai este aplicabilă – frecarea dintre cele două suprafețe se numește apoi frecare cinetică. Cu toate acestea, se poate observa o frecare statică aparentă chiar și în cazul în care adevărata frecare statică este zero.

Un exemplu de frecare statică este forța care împiedică alunecarea unei roți de mașină pe măsură ce se rostogolește pe sol. Chiar dacă roata este în mișcare, patch-ul pneului în contact cu solul este staționar față de sol, deci este mai degrabă static decât frecare cinetică.

Valoarea maximă a frecării statice, atunci când mișcarea este iminentă, este uneori denumită frecarea limitativă, deși acest termen nu este folosit universal.

Frecția cinetică

Fricțiunea cinetică, cunoscută și sub denumirea de frecare dinamică sau frecare prin alunecare, apare atunci când două obiecte se mișcă unul față de celălalt și se freacă împreună (ca o sanie pe sol). Coeficientul de frecare cinetică este de obicei notat ca μk și este de obicei mai mic decât coeficientul de frecare static pentru aceleași materiale. Cu toate acestea, Richard Feynman comentează că „cu metalele uscate este foarte greu să se arate vreo diferență.” Forța de frecare dintre două suprafețe după alunecare începe să fie produsul coeficientului de frecare cinetică și al forței normale: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

Noile modele încep să arate cum fricțiunea cinetică poate fi mai mare decât fricțiunea statică. Fricțiunea cinetică este acum înțeleasă, în multe cazuri, ca fiind în primul rând cauzată de legătura chimică între suprafețe, mai degrabă decât de asperitățile interconectate; cu toate acestea, în multe alte cazuri, efectele de rugozitate sunt dominante, de exemplu în fricțiunea dintre cauciuc și drum. Rugozitatea suprafeței și zona de contact afectează fricțiunea cinetică a obiectelor la scară mică și nano, unde forțele suprafeței domină forțele inerțiale. La alunecare, o nouă suprafață se formează în partea din spate a unui contact real glisant, iar suprafața existentă dispare în partea din față a acesteia. Deoarece toate suprafețele implică energia termodinamică a suprafeței, trebuie să se lucreze la crearea noii suprafețe și energia este eliberată ca căldură în îndepărtarea suprafeței. Astfel, este necesară o forță pentru a mișca partea din spate a contactului, iar căldura prin frecare este eliberată în față.

Unghiul de frecare

Pentru anumite aplicații, este mai util să definiți frecarea statică în termeni de unghi maxim înaintea căruia unul dintre elemente va începe să alunece. Aceasta se numește unghiul de frecare sau unghiul de frecare. Este definit ca:

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

unde θ este unghiul din orizontală și µs este coeficientul static de frecare dintre obiecte. Această formulă poate fi, de asemenea, utilizată pentru a calcula µs din măsurători empirice ale unghiului de frecare.

Fricțiunea la nivel atomic

Determinarea forțelor necesare pentru a deplasa atomii unul lângă celălalt este o provocare în proiectarea nanomașinilor. În 2008, oamenii de știință au reușit pentru prima dată să deplaseze un singur atom pe o suprafață și să măsoare forțele necesare. Folosind un vid foarte înalt și o temperatură aproape nulă (5 ° K), a fost utilizat un microscop de forță atomică modificat pentru a trage un atom de cobalt și o moleculă de monoxid de carbon, pe suprafețe de cupru și platină.

Aproximarea Coulomb rezultă din ipotezele că: suprafețele sunt în contact atomic strâns doar pe o mică parte din aria lor totală; că această zonă de contact este proporțională cu forța normală (până la saturație, care are loc atunci când toată zona este în contact atomic); și că forța de frecare este proporțională cu forța normală aplicată, independent de zona de contact. Aproximarea Coulomb este fundamental o construcție empirică. Este o regulă generală care descrie rezultatul aproximativ al unei interacțiuni fizice extrem de complicate. Punctul forte al aproximării este simplitatea și versatilitatea sa. Deși relația dintre forța normală și forța de frecare nu este exact liniară (și, prin urmare, forța de frecare nu este complet independentă de zona de contact a suprafețelor), aproximarea Coulomb este o reprezentare adecvată a fricțiunii pentru analiza multor sisteme fizice.

Când suprafețele sunt îmbinate, fricțiunea Coulomb devine o aproximare foarte slabă (de exemplu, banda adezivă rezistă la alunecare chiar și atunci când nu există o forță normală sau o forță normală negativă). În acest caz, forța de frecare poate depinde puternic de zona de contact. Anumite anvelope de curse sunt adezive din acest motiv. Cu toate acestea, în ciuda complexității fizicii fundamentale din spatele fricțiunii, relațiile sunt suficient de exacte pentru a fi utile în multe aplicații.

Coeficientul de frecare „negativ”

Începând din 2012, un singur Studiul a demonstrat potențialul unui coeficient de frecare efectiv negativ în regimul de sarcină redusă, ceea ce înseamnă că o scădere a forței normale duce la o creștere a frecării. Acest lucru contrazice experiența de zi cu zi în care o creștere a forței normale duce la o creștere a frecării. Acest lucru a fost raportat în revista Nature în octombrie 2012 și a implicat fricțiunea întâlnită de un stylus de microscop cu forță atomică atunci când este trasă pe o foaie de grafen în prezența oxigenului adsorbit cu grafen. / h3>

În ciuda faptului că este un model simplificat de frecare, modelul Coulomb este util în multe aplicații de simulare numerică, cum ar fi sistemele multicorp și materialul granular. Chiar și cea mai simplă expresie a sa cuprinde efectele fundamentale ale lipirii și alunecării care sunt necesare în multe cazuri aplicate, deși algoritmi specifici trebuie să fie proiectați pentru a integra eficient sistemele mecanice numerice cu frecare Coulomb și contact bilateral sau unilateral. Unele efecte destul de neliniare, cum ar fi așa-numitele paradoxuri Painlevé, pot fi întâlnite cu fricțiunea Coulomb.

Fricția uscată și instabilitățile

Fricțiunea uscată poate induce mai multe tipuri de instabilități în sistemele mecanice. care prezintă un comportament stabil în absența fricțiunii. Aceste instabilități pot fi cauzate de scăderea forței de frecare cu o viteză crescătoare de alunecare, de expansiunea materialului datorată generării de căldură în timpul fricțiunii (instabilitățile termo-elastice) sau de efectele dinamice pure ale alunecării a două materiale elastice (Adams -Instabilități Martin). Acestea din urmă au fost descoperite inițial în 1995 de George G. Adams și João Arménio Correia Martins pentru suprafețe netede și mai târziu au fost găsite pe suprafețe aspre periodice. În special, se consideră că instabilitățile dinamice legate de frecare sunt responsabile pentru scârțâitul frânei și „cântecul” unei harpe de sticlă, fenomene care implică lipire și alunecare, modelate ca o picătură a coeficientului de frecare cu viteza.

Un caz practic important este auto-oscilarea corzilor instrumentelor arcuite, cum ar fi vioara, violoncelul, hurdy-gurdy, erhu etc.

O conexiune între fricțiunea uscată și instabilitatea flutterului într-un sistem mecanic simplu a fost descoperit, vizionați filmul pentru mai multe detalii.

Instabilitățile de frecare pot duce la formarea de noi modele auto-organizate (sau „structuri secundare”) la interfața glisantă, cum ar fi tribofilmele formate in-situ care sunt utilizate pentru reducerea fricțiunii și uzurii în așa-numitele materiale autolubrifiante.