Применение силы сдвига, превышающей максимальную статическую силу трения, к ползуну на базовом блоке приводит к тому, что ползунок начинает скользить. Узнайте больше о сила трения по ссылке.  В скользящем состоянии на ползун действует кинетическая сила трения. Трение возникает в различных системах от атомных до геологических масштабов и изучается с древних времен1,2,3,4,5,6. С инженерной точки зрения регулирование трения имеет решающее значение для эффективного функционирования машин и может способствовать прогрессу в области энергетики и решению проблем глобального потепления4, 5,6. В XV веке да Винчи обнаружил, что сила трения пропорциональна силе нагружения и не зависит от кажущейся площади контакта между двумя твердыми объектами. Примерно 200 лет спустя Амонтоны вновь открыли эти результаты, которые теперь в совокупности называются законом Амонтонов. Этот закон, как принято считать, хорошо подходит для различных систем, обсуждается в учебнике средней школы и используется для достижения контроля трения для различных машин. Отношение максимальной статической силы трения к нагрузочной силе называется коэффициентом статического трения. Когда действует закон Амонтона, это соотношение является постоянной величиной, которая не зависит от силы нагружения или кажущейся площади контакта.

Механизмы трения обычно объясняются следующим образом1,2,3,4,5,6. Шероховатость твердых поверхностей, контактирующих друг с другом, приводит к очень малой общей площади реальных точек контакта относительно кажущейся площади контакта. Реальные точки соприкосновения дают конечную прочность на сдвиг на границе раздела, которая создается межатомными или межмолекулярными силами. Относительное скользящее движение между двумя соприкасающимися твердыми телами требует приложения силы сдвига, которая больше общей силы сдвига, то есть должна быть приложена максимальная статическая сила трения. Общая площадь реальных контактных точек называется реальной контактной зоной. Считается, что реальная площадь контакта пропорциональна силе нагружения и не зависит от кажущейся площади контакта, а прочность на сдвиг на единицу реальной площади контакта постоянна. Таким образом, сила трения пропорциональна силе нагружения, не зависит от кажущейся площади контакта и действует закон Амонтона. Отметим, что до настоящего времени были также предложены альтернативные схемы для объяснения механизмов трения и закона Амонтонов7.

В последнее время контактная поверхность раздела стала интересной темой в случае трения для сдвиговой силы, которая меньше макроскопического максимума статической силы трения Fsmax,что соответствует началу скользящего движения для всего ползуна8,9,10,11, 12. Объемное скольжение при этом условии не происходит. Мгновенная и локальная плотности реальной контактной области были измерены с использованием пропускания и отражения лазерного листа, демонстрируя,что локальное проскальзывание прекурсора происходит на контактной границе между ползунком полиметилметакрилата (ПММА) и базовым блоком ПММА8,9,10,11, 12. Усилие сдвига прикладывается к ползуну толкающим стержнем или пружиной на задней кромке ползуна. Фронт предшественника начинается от задней кромки ползунка и останавливается после распространения на определенное расстояние. Фронт следующего предшественника также начинается от задней кромки после определенного интервала и останавливается после длины распространения, которая больше, чем предыдущая длина. Первоначально длина размножения постепенно увеличивается с увеличением числа предшественников, однако после превышения критической длины длина размножения начинает быстро расти. Когда фронт предшественника достигает передней кромки ползуна, происходит массовое скольжение. Это поведение наблюдалось в различных экспериментах8, 9, 10, 11, 12, а скорость распространения фронта была исследована в экспериментах8, 9, 10, 11 и в численных и теоретических исследованиях12,13,14,15,16,17,18,19.

Бен-Дэвид и др. экспериментально установлено, что макроскопический статический коэффициент трения мкм Fsmax/W, где W-сила нагружения, сильно зависит от динамики предшественника11. С другой стороны, подходы метода конечных элементов (МКЭ) и аналитические расчеты были использованы для того, чтобы показать, что мкм уменьшается с увеличением давления и длины системы L19. Это поведение определяется динамикой предшественника и квазистатическими переходами предшественника в быстрое движение на критической длине lc. В расчетах предполагается, что закон Амонтона действует локально, т. е. локальное напряжение трения пропорционально локальному давлению. Было получено следующее соотношение, когда lc/L меньше, чем unity19. Здесь µs и µk это локальные статические и кинетические коэффициенты трения соответственно. Зависимость lc от силы нагружения дает новый закон трения: где a-константа, не зависящая от W. когда величина W и L такова, что lc/L близка к 0 или единице, закон Амонтона выполняется приблизительно. Вышеупомянутые соотношения были получены в результате аналитического расчета эффективной модели 1D и проверены с помощью расчета 2D МКЭ. Однако эти результаты еще не были проверены экспериментально.

В данной работе мы экспериментально исследуем динамику предшественника и макроскопический коэффициент статического трения ползуна ПММА, нагруженного на базовый блок ПММА, используя пропускание лазерного листа. Установлено, что макроскопический коэффициент статического трения уменьшается с увеличением силы нагружения. Экспериментальные результаты показывают незначительную зависимость скорости движения или высоты от контактной поверхности, на которой действует тангенциальная сила пружины, которую мы называем силой сдвига. Полученные результаты подтверждают соотношения (1) и (2) в пределах экспериментальной точности, то есть нарушение закона Амонтона и справедливость нового закона трения, т. е. (2). Также указывается, как эти отношения связаны с локальным проскальзыванием предшественника. Полученные здесь результаты согласуются с предыдущими экспериментальными исследованиями20, включая работу Ben-David et al. отмечено выше11. Кроме того, макроскопический коэффициент статического трения уменьшается по мере уменьшения кажущейся площади контакта. Этот результат также указывает на нарушение закона Амонтонов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.