Fenomén prokluzu - Stick-slip phenomenon

Stick-slip jev , známý také jako slip-stick jevu nebo jednoduše stick-slip , je spontánní škubání pohybu, který může nastat, když dva objekty jsou posuvné přes sebe.

Způsobit

Níže je uveden jednoduchý heuristický popis jevů stick-slip pomocí klasické mechaniky, který je relevantní pro technické popisy. Ve skutečnosti však v akademické sféře panuje malá shoda ohledně skutečného fyzického popisu prokluzu, který následuje po nedostatečném pochopení třecích jevů obecně. Obecně dohodnutý názor je ten, že chování stick-slip je výsledkem běžných phonon režimů (na rozhraní mezi substrátem a sliderem), které jsou připnuté v zvlněné potenciální studniční krajině, kterou odepnutí (slip) a pin (stick) ovlivnily teplotními výkyvy. S třecím chováním se však setkáváme v širokém rozsahu délkových měřítek od atomové až po tektonickou a za všechny projevy neexistuje jediný základní fyzikální mechanismus.

Tuhost pružiny (zobrazeno na obrázku níže), normální zatížení na rozhraní (hmotnost jezdce), doba trvání rozhraní (ovlivnění přenosu chemické hmoty a tvorby vazby), původní rychlost (rychlost) posuvné (když je posuvník ve fázi skluzu) - vše ovlivňuje chování systému. Popis využívající běžné fonony (spíše než konstitutivní zákony jako Coulombův třecí model) poskytuje vysvětlení hluku, který obvykle doprovází proklouznutí povrchových akustických vln. Použití složitých konstitutivních modelů, které vedou k diskontinuálním řešením (viz paradox Painlevé ), nakonec vyžaduje zbytečné matematické úsilí (podpora neplynulých dynamických systémů) a nepředstavuje skutečný fyzický popis systému. Takové modely jsou však velmi užitečné pro simulace a animace s nízkou věrností.

Technický popis

Stick-slip lze popsat jako povrchy střídající se mezi vzájemným lepením a klouzáním po sobě, s odpovídající změnou síly tření . Statický koeficient tření (heuristické číslo) mezi dvěma povrchy je obvykle větší než koeficient kinetického tření . Pokud je aplikovaná síla dostatečně velká, aby překonala statické tření, pak snížení tření na kinetické tření může způsobit náhlý skok v rychlosti pohybu. Na přiloženém obrázku je symbolicky ukázán příklad prokluzu.

Stick-slip.svg

V je systém pohonu, R je pružnost systému a M je náklad, který leží na podlaze a je tlačen vodorovně. Při spuštění systému pohonu se pružina R zatěžuje a její tlačná síla proti zatížení M se zvyšuje, dokud koeficient statického tření mezi zatížením M a podlahou již není schopen udržet zatížení. Zátěž začíná klouzat a koeficient tření klesá ze statické hodnoty na dynamickou hodnotu. V tomto okamžiku může pružina poskytnout více síly a zrychlovat M. Během pohybu M síla pružiny klesá, dokud není dostatečná k překonání dynamického tření. Od tohoto bodu M zpomalí až do zastavení. Pohonný systém však pokračuje a pružina se znovu načte atd.

Příklady

Příklady prokluzu lze slyšet z hydraulických válců , mokrých brzd traktoru, honovacích strojů atd. K hydraulické kapalině nebo chladicí kapalině lze přidat speciální dopery, aby se překonal nebo minimalizoval účinek prokluzu. Stick-slip má také zkušenosti s soustruhy, frézovacími centry a dalšími stroji, kde něco klouže po kluzné dráze. Oleje pro kluzné dráhy obvykle uvádějí jako jednu ze svých vlastností „prevenci prokluzu“. Mezi další příklady fenoménu stick-slip patří hudba, která vychází z ukloněných nástrojů , hluk brzd automobilů a pneumatik a hluk zastavujícího vlaku . Lepkavý prokluz byl také pozorován v kloubní chrupavce při mírném zatížení a klouzání, což by mohlo mít za následek abrazivní opotřebení chrupavky.

Další příklad fenoménu stick-slip nastává, když se hudební noty hrají se skleněnou harfou třením mokrého prstu po okraji sklenice na křišťálové víno. Jedno zvíře, které produkuje zvuk pomocí tření s kluzným pohybem, je langust, který si tře antény o hladké povrchy na hlavě. Dalším častějším příkladem, který produkuje zvuk pomocí kluzného tření, je kobylka .

Stick-slip lze také pozorovat na atomové stupnici pomocí mikroskopu třecí síly . V takovém případě lze jev interpretovat pomocí Tomlinsonova modelu .

Chování seismicky aktivních poruch je také vysvětleno pomocí modelu stick-slip, přičemž během období rychlého uklouznutí se generují zemětřesení .

Charakteristický zvuk skřípání basketbalové obuvi na hřišti je vyvolán kontaktem mezi gumovou podrážkou a podlahou z tvrdého dřeva .

Stick-slip je základní fyzikální mechanismus pro aktivní řízení tření působením vibrací.

Vědci z Kalifornské univerzity v San Diegu vyvinuli hejno samonakládacích robotů origami, které pro pohyb využívají fenomén stick-slip.

Zdánlivý prokluz lze pozorovat dokonce i v systému, který nemá statickou třecí sílu („dynamické zobrazení“)

Reference

  1. ^ F. Heslot, T. Baumberger, B. Perrin, B. Caroli a C. Caroli, Phys. Rev.E 49, 4973 (1994) Sliding Friction: Physical Principles and Applications - Bo NJ Persson Ruina, Andy. "Nestabilita skluzu a zákony o proměnném tření." Journal of Geophysical Research 88.B12 (1983): 10359-10
  2. ^ Kligerman, Y .; Varenberg, M. (2014). "Eliminace hůlkového pohybu při klouzání rozděleného nebo drsného povrchu". Tribologické dopisy . 53 (2): 395–399. doi : 10,1007 / s11249-013-0278-8 .
  3. ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, kluzné tření a opotřebení kloubních kloubů , PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
  4. ^ SN Patek (2001). "Ostnaté humry se lepí a sklouzávají, aby vydaly zvuk". Příroda . 411 (6834): 153–154. Bibcode : 2001Natur.411..153P . doi : 10,1038 / 35075656 . PMID   11346780 .
  5. ^ Atomové měřítko tření špičky wolframu na grafitovém povrchu CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson a S. Chiang Phys. Rev. Lett. 59 , 1942 (1987)
  6. ^ Scholz, CH (2002). Mechanika zemětřesení a poruch (2. vyd.). Cambridge University Press. 81–84. ISBN   978-0-521-65540-8 . Vyvolány 6 December 2011 .
  7. ^ Branch, John (2017-03-17). „Proč jsou basketbalové hry tak pískavé? Zvažte langustu“ . The New York Times . ISSN   0362-4331 . Citováno 2017-03-19 .
  8. ^ Popov, M .; Popov, VL; Popov, NV (01.03.2017). "Snížení tření normálními kmity. I. Vliv kontaktní tuhosti". Tření . 5 (1): 45–55. arXiv : 1611.07017 . doi : 10,1007 / s40544-016-0136-4 .
  9. ^ Weston-Dawkes, William P .; Ong, Aaron C .; Majit, Mohamad Ramzi Abdul; Joseph, Francis; Tolley, Michael T. (2017). "Směrem k rychlému mechanickému přizpůsobení samoskladacích prostředků v měřítku cm". 2017 Mezinárodní konference IEEE / RSJ o inteligentních robotech a systémech (IROS) . 4312–4318. doi : 10.1109 / IROS.2017.8206295 . ISBN   978-1-5386-2682-5 .
  10. ^ Nakano, K; Popov, VL (2020-12-10). Msgstr "Dynamické zobrazení bez statického tření: Role rotace třecího vektoru" . Physical Review E . 102 (6): 063001. doi : 10.1103 / PhysRevE.102.063001 .
  • Zypman, FR; Ferrante, J .; Jansen, M .; Scanlon, K .; Abel, P. (2003), „Evidence of self-organizated criticality in dry sliding friction“, Journal of Physics: Condensed Matter , 15 (12): L191, doi : 10.1088 / 0953-8984 / 15/12/101

externí odkazy