Friktion (Svenska)

Torr friktion motstår relativ sidorörelse av två fasta ytor i kontakt. De två regimerna för torr friktion är ”statisk friktion” (”stiction”) mellan icke-rörliga ytor och kinetisk friktion (ibland kallad glidfriktion eller dynamisk friktion) mellan rörliga ytor.

Coulomb-friktion, uppkallad efter Charles-Augustin de Coulomb, är en ungefärlig modell som används för att beräkna kraften av torr friktion. Det styrs av modellen:

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

där

Coulomb-friktionen F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} kan ta vilket värde som helst från noll upp till μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} och friktionskraftens riktning mot en yta är motsatt den rörelse som ytan skulle uppleva i frånvaro av friktion. I det statiska fallet är friktionskraften således exakt vad den måste vara för att förhindra rörelse mellan ytorna; det balanserar nettokraften som tenderar att orsaka sådan rörelse. I detta fall, i stället för att ge en uppskattning av den faktiska friktionskraften, ger Coulomb-approximationen ett tröskelvärde för denna kraft, över vilken rörelse skulle börja. Denna maximala kraft kallas dragkraft.

Friktionskraften utövas alltid i en riktning som motsätter rörelse (för kinetisk friktion) eller potentiell rörelse (för statisk friktion) mellan de två ytorna. En curlingsten som glider längs isen upplever till exempel en kinetisk kraft som saktar ner den. För ett exempel på potentiell rörelse upplever drivhjulen i en accelererande bil en friktionskraft som pekar framåt; om de inte gjorde det skulle hjulen snurra och gummit gled bakåt längs trottoaren. Observera att det inte är fordonets rörelseriktning som de motsätter sig, det är riktningen för (potentiell) glidning mellan däck och väg.

Normal kraft

Det normala kraft definieras som nettokraften som sammanpressar två parallella ytor och dess riktning är vinkelrät mot ytorna. I det enkla fallet med en massa vilande på en horisontell yta är den enda komponenten i den normala kraften kraften på grund av tyngdkraften, där N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. I detta fall är friktionskraftens storlek produkten av objektets massa, accelerationen på grund av tyngdkraften och friktionskoefficienten. Friktionskoefficienten är emellertid inte en funktion av massa eller volym; det beror bara på materialet. Till exempel har ett stort aluminiumblock samma friktionskoefficient som ett litet aluminiumblock. Friktionskraftens storlek beror dock på den normala kraften och därmed på blockets massa.

Om ett föremål ligger på en plan yta och den kraft som tenderar att få det att glida är horisontellt , den normala kraften N {\ displaystyle N \,} mellan objektet och ytan är bara dess vikt, vilket är lika med dess massa multiplicerat med accelerationen på grund av jordens tyngdkraft, g. Om objektet är på en lutande yta som ett lutande plan, är den normala kraften mindre, eftersom mindre av tyngdkraften är vinkelrät mot planets yta. Därför bestäms den normala kraften och slutligen friktionskraften med hjälp av vektoranalys, vanligtvis via en fri Beroende på situationen kan beräkningen av den normala kraften inkludera andra krafter än tyngdkraften.

Friktionskoefficient

friktionskoefficient (COF), ofta symboliserad med den grekiska bokstaven µ, är ett dimensionellt skalarvärde som beskriver förhållandet mellan friktionskraften mellan två kroppar och kraften som pressar dem ihop. Friktionskoefficienten beror på vilka material som används; till exempel har is på stål en låg friktionskoefficient, medan gummi på trottoaren har en hög friktionskoefficient. Friktionskoefficienter sträcker sig från nära noll till större än en. Det är ett axiom av friktionens karaktär mellan metallytor att det är större mellan två ytor av liknande metaller än mellan två ytor av olika metaller – följaktligen kommer mässing att ha en högre friktionskoefficient när den förflyttas mot mässing, men mindre om den rör sig mot stål eller aluminium.

För ytor i vila i förhållande till varandra μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, där μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} är koefficienten för statisk friktion. Detta är vanligtvis större än dess kinetiska motsvarighet.Koefficienten för statisk friktion som uppvisas av ett par kontaktytor beror på de kombinerade effekterna av materialdeformationsegenskaper och ytjämnhet, vilka båda har sitt ursprung i den kemiska bindningen mellan atomer i vart och ett av bulkmaterialen och mellan materialytorna och eventuella adsorberat material. Fraktaliteten hos ytor, en parameter som beskriver skalningsbeteendet hos yta-asperiteter, är känd för att spela en viktig roll för att bestämma storleken på den statiska friktionen.

Arthur Morin introducerade termen och visade nyttan av koefficienten av friktion. Friktionskoefficienten är en empirisk mätning – den måste mätas experimentellt och kan inte hittas genom beräkningar. Råare ytor tenderar att ha högre effektiva värden. Både statiska och kinetiska friktionskoefficienter beror på ytorna i kontakt; för ett givet ytor är koefficienten för statisk friktion vanligtvis större än för kinetisk friktion; i vissa uppsättningar är de två koefficienterna lika, såsom teflon-mot-teflon.

De flesta torra material i kombination har friktionskoefficientvärden mellan 0,3 och 0,6. Värden utanför detta intervall är sällsynta, men teflon kan till exempel ha en koefficient så låg som 0,04. Ett värde på noll skulle inte innebära någon friktion alls, en svårfångad egenskap. Gummi i kontakt med andra ytor kan ge friktionskoefficienter från 1 till 2. Ibland hävdas att µ alltid är < 1, men detta är inte sant. Medan i de flesta relevanta applikationer µ < 1, innebär ett värde över 1 bara att kraften som krävs för att skjuta ett objekt längs ytan är större än den normala kraften för ytan på objektet. Exempelvis har silikongummi eller akrylgummibelagda ytor en friktionskoefficient som kan vara väsentligt större än 1.

Även om det ofta anges att COF är en ”materialegenskap”, kategoriseras den bättre som en ”systemegenskap.” Till skillnad från sanna materialegenskaper (såsom konduktivitet, dielektrisk konstant, sträckgräns) beror COF för två material på systemvariabler som temperatur, hastighet, atmosfär och även vad som nu populärt beskrivs som åldrande och dövande tider; såväl som på geometriska egenskaper hos gränsytan mellan materialen, nämligen ytstruktur. Till exempel kan en koppartapp som glider mot en tjock kopparplatta ha en COF som varierar från 0,6 vid låga hastigheter (metall som glider mot metall) till under 0,2 vid höga hastigheter när kopparytan börjar smälta på grund av friktionsuppvärmning. Den senare hastigheten bestämmer naturligtvis inte COF unikt; om stiftdiametern ökas så att friktionsuppvärmningen avlägsnas snabbt, sjunker temperaturen, stiftet förblir fast och COF stiger till ett ”låghastighets” -test.

Ungefärliga friktionskoefficienter

Under vissa förhållanden har vissa material mycket låga friktionskoefficienter. Ett exempel är (högt ordnad pyrolytisk) grafit som kan ha en friktionskoefficient under 0,01. Detta ultralåg-friktionsregime kallas supersmörjning.

Statisk friktion

Statisk friktion är friktion mellan två eller flera fasta objekt som inte rör sig i förhållande till varandra. Till exempel kan statisk friktion förhindra att ett objekt glider nerför en sluttande yta. Koefficienten för statisk friktion, typiskt betecknad som μs, är vanligtvis högre än koefficienten för kinetisk friktion. Statisk friktion anses uppstå som ett resultat av ytjämnhetsegenskaper över flera längdskalor på fasta ytor. Dessa funktioner, så kallade asperiteter, finns ner till dimensioner i nanoskala och resulterar i att verklig fast till solid kontakt endast existerar vid ett begränsat antal punkter som endast står för en bråkdel av det uppenbara eller nominella kontaktområdet. Linjäriteten mellan applicerad belastning och verklig kontaktyta, som uppstår på grund av asperitetsdeformation, ger upphov till linjäriteten mellan statisk friktionskraft och normal kraft, som finns för typisk friktion av Amonton-Coulomb-typ.

Den statiska friktionskraften måste vara övervinnas av en applicerad kraft innan ett objekt kan röra sig. Den maximala möjliga friktionskraften mellan två ytor innan glidningen börjar är produkten av koefficienten för statisk friktion och den normala kraften: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. När ingen glidning inträffar kan friktionskraften ha vilket värde som helst från noll upp till F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Varje kraft som är mindre än F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} som försöker glida en yta över den andra motsätts av en friktionskraft av samma storlek och motsatt riktning. Varje kraft större än F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} övervinner kraften av statisk friktion och får glidning att inträffa. Omedelbar glidning sker, statisk friktion är inte längre tillämplig – friktionen mellan de två ytorna kallas då kinetisk friktion. En uppenbar statisk friktion kan emellertid observeras även i fallet när den verkliga statiska friktionen är noll.

Ett exempel på statisk friktion är den kraft som förhindrar att ett bilhjul glider när det rullar på marken. Även om hjulet är i rörelse är däcket på däcket i kontakt med marken stilla i förhållande till marken, så det är statisk snarare än kinetisk friktion.

Det maximala värdet av statisk friktion, när rörelse är överhängande, kallas ibland begränsande friktion, även om denna term inte används allmänt.

Kinetisk friktion

Kinetisk friktion, även känd som dynamisk friktion eller glidfriktion, uppstår när två objekt rör sig relativt varandra och gnuggar ihop (som en släde på marken). Koefficienten för kinetisk friktion betecknas typiskt som μk och är vanligtvis mindre än koefficienten för statisk friktion för samma material. Richard Feynman kommenterar emellertid att ”med torra metaller är det väldigt svårt att visa någon skillnad.” Friktionskraften mellan två ytor efter att glidningen börjar är produkten av koefficienten för kinetisk friktion och den normala kraften: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

Nya modeller börjar visa hur kinetisk friktion kan vara större än statisk friktion. Kinetisk friktion förstås nu, i många fall, främst orsakas av kemisk bindning mellan ytorna snarare än sammankopplade asperiteter; i många andra fall är dock grovhetseffekter dominerande, till exempel i gummi till vägfriktion. Ytjämnhet och kontaktyta påverkar kinetisk friktion för objekt i mikro- och nano-skala där ytkrafter dominerar tröghetskrafter.

Ursprunget till kinetisk friktion i nanoskala kan förklaras med termodynamik. Vid glidning bildas ny yta på baksidan av en riktig glidande kontakt, och befintlig yta försvinner på framsidan av den. Eftersom alla ytor involverar den termodynamiska ytenergin, måste man spendera arbete på att skapa den nya ytan och energi släpps ut som värme för att ta bort ytan. Således krävs en kraft för att flytta baksidan av kontakten och friktionsvärme frigörs vid fronten.

Friktionsvinkel

För vissa applikationer är det mer användbart att definiera statisk friktion i termer av den maximala vinkeln innan en av objekten börjar glida. Detta kallas friktionsvinkel eller friktionsvinkel. Det definieras som:

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

där θ är vinkeln från horisontellt och µs är den statiska friktionskoefficienten mellan objekten. Denna formel kan också användas för att beräkna µs från empiriska mätningar av friktionsvinkeln.

Friktion på atomnivå

Att bestämma de krafter som krävs för att flytta atomer förbi varandra är en utmaning i utforma nanomaskiner. År 2008 kunde forskare för första gången flytta en enda atom över en yta och mäta de nödvändiga krafterna. Med hjälp av ultrahögt vakuum och nästan noll temperatur (5 ° K) användes ett modifierat atomkraftsmikroskop för att dra en koboltatom och en kolmonoxidmolekyl över ytor av koppar och platina.

Begränsningar av Coulomb-modellen

Coulomb-uppskattningen följer av antagandena att: ytor är i atomisk nära kontakt endast över en liten del av deras totala yta; att denna kontaktyta är proportionell mot den normala kraften (tills mättnad, som äger rum när hela området är i atomkontakt); och att friktionskraften är proportionell mot den applicerade normalkraften, oberoende av kontaktområdet. Coulomb-approximationen är i grunden en empirisk konstruktion. Det är en tumregel som beskriver det ungefärliga resultatet av en extremt komplicerad fysisk interaktion. Uppskattningens styrka är dess enkelhet och mångsidighet. Även om förhållandet mellan normal kraft och friktionskraft inte är exakt linjärt (och så att friktionskraften inte är helt oberoende av ytornas kontaktyta), är Coulomb-approximationen en adekvat representation av friktion för analys av många fysiska system.

När ytorna är sammanfogade blir Coulomb-friktionen en mycket dålig uppskattning (till exempel motstår tejp att glida även när det inte finns någon normal kraft eller en negativ normal kraft). I detta fall kan friktionskraften bero starkt på kontaktområdet. Vissa dragracedäck är självhäftande av denna anledning. Trots komplexiteten hos den grundläggande fysiken bakom friktion är förhållandena noggranna för att vara användbara i många applikationer.

”Negativ” friktionskoefficient

Från och med 2012, en enda Studien har visat potentialen för en effektivt negativ friktionskoefficient i låglastregimen, vilket innebär att en minskning av normal kraft leder till en ökning av friktionen. Detta strider mot vardaglig upplevelse där en ökning av normal kraft leder till en ökning av friktionen. Detta rapporterades i tidskriften Nature i oktober 2012 och involverade den friktion som en atomkraftmikroskoppenna möter när den dras över ett grafenark i närvaro av grafen-adsorberat syre.

Numerisk simulering av Coulomb-modellen

Trots att den är en förenklad friktionsmodell, är Coulomb-modellen användbar i många numeriska simuleringsapplikationer såsom multikroppssystem och granulärt material. Även det enklaste uttrycket inkapslar de grundläggande effekterna av stickning och glidning som krävs i många tillämpade fall, även om specifika algoritmer måste utformas för att effektivt numeriskt integrera mekaniska system med Coulomb-friktion och bilateral eller ensidig kontakt. Några ganska olinjära effekter, som de så kallade Painlevé-paradoxerna, kan påträffas med Coulomb-friktion.

Torrfriktion och instabiliteter

Torrfriktion kan inducera flera typer av instabiliteter i mekaniska system som uppvisar ett stabilt beteende i frånvaro av friktion. Dessa instabiliteter kan orsakas av minskningen av friktionskraften med en ökande glidhastighet, av materialutvidgning på grund av värmegenerering under friktion (de termoelastiska instabiliteterna), eller av rena dynamiska effekter av glidning av två elastiska material (Adams -Martins instabiliteter). De senare upptäcktes ursprungligen 1995 av George G. Adams och João Arménio Correia Martins för släta ytor och hittades senare i periodiska grova ytor. I synnerhet tros friktionsrelaterade dynamiska instabiliteter vara ansvariga för bromsskrik och ”sång” av en glasharpa, fenomen som involverar stick och slip, modellerade som en droppe friktionskoefficient med hastighet.

Ett praktiskt viktigt fall är självsvängningen av strängarna på stränginstrument som violin, cello, hurdy-gurdy, erhu, etc.

En koppling mellan torr friktion och fladdrainstabilitet i ett enkelt mekaniskt system har upptäckts, titta på filmen för mer information.

Friktionsinstabiliteter kan leda till bildandet av nya självorganiserade mönster (eller ”sekundära strukturer”) vid det glidande gränssnittet, såsom in situ-bildade tribofilms som används för att minska friktion och slitage i så kallade självsmörjande material.