Friktion

Figur 1: Simulerade block med fraktal grova ytor som uppvisar statiska friktionsinteraktioner

Friktion är den kraft som motstår den relativa rörelsen av fasta ytor, flytande lager och materialelement som glider mot varandra. Det finns flera typer av friktion:

Torr friktion är en kraft som motverkar den relativa sidorörelsen hos två fasta ytor i kontakt. Torr friktion är uppdelad i statisk friktion (" stiction ") mellan icke-rörliga ytor och kinetisk friktion mellan rörliga ytor. Med undantag för atomär eller molekylär friktion, uppstår torrfriktion i allmänhet från samverkan mellan ytegenskaper, så kallade asperiteter (se figur 1).
Vätskefriktion beskriver friktionen mellan lager av en viskös vätska som rör sig i förhållande till varandra.

Smörjt friktion är ett fall av vätskefriktion där en smörjvätska separerar två fasta ytor.

Hudfriktion är en komponent av motstånd , kraften som motstår rörelsen av en vätska över kroppsytan.
Intern friktion är den kraftmotstående rörelsen mellan elementen som utgör ett fast material medan det genomgår deformation .

När ytor i kontakt rör sig i förhållande till varandra, omvandlar friktionen mellan de två ytorna kinetisk energi till termisk energi (det vill säga den omvandlar arbete till värme ). Denna egenskap kan få dramatiska konsekvenser, vilket illustreras av användningen av friktion som skapas genom att gnugga ihop träbitar för att starta en eld. Kinetisk energi omvandlas till termisk energi närhelst rörelse med friktion uppstår, till exempel när en viskös vätska omrörs. En annan viktig konsekvens av många typer av friktion kan vara slitage , vilket kan leda till prestandaförsämring eller skador på komponenter. Friktion är en del av vetenskapen om tribologi .

Friktion är önskvärt och viktigt för att ge dragkraft för att underlätta rörelse på land. De flesta landfordon är beroende av friktion för acceleration, retardation och riktningsändring. Plötsliga minskningar av dragkraften kan orsaka förlust av kontroll och olyckor.

Friktion är inte i sig en grundläggande kraft . Torr friktion uppstår från en kombination av vidhäftning mellan ytan, ytjämnhet, ytdeformation och ytförorening. Komplexiteten i dessa interaktioner gör beräkningen av friktion från första principer opraktisk och kräver användning av empiriska metoder för analys och utveckling av teori.

Friktion är en icke-konservativ kraft – arbete mot friktion är vägberoende. I närvaro av friktion omvandlas alltid viss kinetisk energi till termisk energi, så mekanisk energi bevaras inte.

Historia

Grekerna, inklusive Aristoteles , Vitruvius och Plinius den äldre , var intresserade av orsaken till och mildring av friktion. De var medvetna om skillnader mellan statisk och kinetisk friktion med Themistius som påstod år 350 e.Kr. att "det är lättare att främja rörelsen hos en rörlig kropp än att röra en kropp i vila".

De klassiska lagarna för glidfriktion upptäcktes av Leonardo da Vinci 1493, en pionjär inom tribologi , men lagarna som dokumenterades i hans anteckningsböcker publicerades inte och förblev okända. Dessa lagar återupptäcktes av Guillaume Amontons 1699 och blev kända som Amontons tre lagar för torr friktion. Amontons presenterade friktionens natur i termer av ytojämnheter och kraften som krävs för att höja vikten som pressar ihop ytorna. Denna uppfattning utvecklades ytterligare av Bernard Forest de Bélidor och Leonhard Euler (1750), som härledde vilovinkeln för en vikt på ett lutande plan och först skiljde mellan statisk och kinetisk friktion. John Theophilus Desaguliers (1734) insåg först betydelsen av vidhäftning i friktion. Mikroskopiska krafter gör att ytor håller ihop; han föreslog att friktion var den kraft som var nödvändig för att slita isär de vidhäftande ytorna.

Förståelsen av friktion utvecklades ytterligare av Charles-Augustin de Coulomb (1785). Coulomb undersökte inverkan av fyra huvudfaktorer på friktionen: naturen hos materialen i kontakt och deras ytbeläggningar; omfattningen av ytan; det normala trycket (eller belastningen); och hur lång tid som ytorna förblev i kontakt (tid för vila). Coulomb övervägde vidare påverkan av glidhastighet, temperatur och luftfuktighet, för att avgöra mellan de olika förklaringarna på friktionens natur som hade föreslagits. Distinktionen mellan statisk och dynamisk friktion görs i Coulombs friktionslag (se nedan), även om denna distinktion redan gjordes av Johann Andreas von Segner 1758. Effekten av vilotiden förklarades av Pieter van Musschenbroek (1762) genom att beakta ytorna av fibröst material, med fibrer som maskar ihop, vilket tar en begränsad tid då friktionen ökar.

John Leslie (1766–1832) noterade en svaghet i Amontons och Coulombs åsikter: Om friktion uppstår från en vikt som dras upp mot det lutande planet av successiva asperities , varför balanseras den då inte genom att gå ner mot den motsatta sluttningen? Leslie var lika skeptisk till den roll som adhesion föreslagit av Desaguliers, som på det hela taget borde ha samma tendens att accelerera som att bromsa rörelsen. Enligt Leslies uppfattning bör friktion ses som en tidsberoende process för att tillplattade, pressa ned ojämnheter, vilket skapar nya hinder i det som var håligheter tidigare.

Arthur Jules Morin (1833) utvecklade konceptet glidande kontra rullande friktion. Osborne Reynolds (1866) härledde ekvationen för viskös flöde. Detta fullbordade den klassiska empiriska modellen av friktion (statisk, kinetisk och flytande) som vanligtvis används idag inom teknik. 1877 Fleeming Jenkin och JA Ewing kontinuiteten mellan statisk och kinetisk friktion.

Fokus för forskningen under 1900-talet har varit att förstå de fysiska mekanismerna bakom friktion. Frank Philip Bowden och David Tabor (1950) visade att på mikroskopisk nivå är den faktiska kontaktytan mellan ytor en mycket liten del av den skenbara arean. Detta faktiska kontaktområde, orsakat av ojämnheter, ökar med trycket. Utvecklingen av atomkraftsmikroskopet (ca 1986) gjorde det möjligt för forskare att studera friktion på atomär skala , vilket visade att torr friktion på den skalan är produkten av skjuvspänningen mellan ytan och kontaktytan. Dessa två upptäckter förklarar Amontons första lag (nedan) ; den makroskopiska proportionaliteten mellan normalkraft och statisk friktionskraft mellan torra ytor.

Lagar för torr friktion

Den elementära egenskapen hos glidande (kinetisk) friktion upptäcktes genom experiment på 1400- till 1700-talen och uttrycktes som tre empiriska lagar:

Amontons första lag : Friktionskraften är direkt proportionell mot den applicerade belastningen.
Amontons andra lag : Friktionskraften är oberoende av det skenbara kontaktområdet.
Coulombs friktionslag : Kinetisk friktion är oberoende av glidhastigheten.

Torr friktion

Torr friktion motstår relativ lateral rörelse 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_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },

var

$F_{\mathrm {f} }$ är friktionskraften som utövas av varje yta på den andra. Den är parallell med ytan, i en riktning motsatt den anbringade nettokraften.
$\mu$ är friktionskoefficienten, som är en empirisk egenskap hos de kontaktande materialen,
$F_{\mathrm {n} }$ är normalkraften som utövas av varje yta på den andra, riktad vinkelrätt (normalt) mot ytan.

Coulomb-friktionen $F_{\mathrm {f} }$ kan ta vilket värde som helst från noll upp till $\mu F_{\mathrm {n} }$ och friktionskraftens riktning mot en yta är motsatt till den rörelse som ytan skulle uppleva i frånvaro av friktion. Således, i det statiska fallet, är friktionskraften exakt vad den måste vara för att förhindra rörelse mellan ytorna; den balanserar nettokraften som tenderar att orsaka sådan rörelse. I detta fall, snarare än 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 motverkar rörelse (för kinetisk friktion) eller potentiell rörelse (för statisk friktion) mellan de två ytorna. Till exempel upplever en curlingsten som glider längs isen en kinetisk kraft som bromsar den. Som ett exempel på potentiell rörelse upplever drivhjulen på en accelererande bil en friktionskraft som pekar framåt; om de inte gjorde det skulle hjulen snurra och gummit skulle glida bakåt längs trottoaren. Observera att det inte är fordonets rörelseriktning de motsätter sig, det är riktningen för (potentiell) glidning mellan däck och väg.

Normal styrka

Frikroppsdiagram för ett block på en ramp. Pilar är vektorer som indikerar krafternas riktningar och storlek. N är normalkraften, mg är tyngdkraften och F f är _{friktionskraften} .

Normalkraften definieras som nettokraften som trycker ihop två parallella ytor, och dess riktning är vinkelrät mot ytorna. I det enkla fallet med en massa som vilar på en horisontell yta är den enda komponenten av normalkraften kraften på grund av gravitationen, där $N=mg\,$ . I det här fallet säger jämviktsförhållandena oss att storleken på friktionskraften är noll , $F_{f}=0$ . Faktum är att friktionskraften alltid uppfyller ${\displaystyle F_{f}\leq \mu N} ,$ med likhet nådd endast vid en kritisk rampvinkel (given av $\tan ^ {-1}\mu$ ) som är tillräckligt brant för att initiera glidning.

Friktionskoefficienten är en empirisk (experimentellt uppmätt) strukturell egenskap som endast beror på olika aspekter av de kontaktande materialen, såsom ytjämnhet. Friktionskoefficienten är inte en funktion av massa eller volym. Till exempel har ett stort aluminiumblock samma friktionskoefficient som ett litet aluminiumblock. Storleken på själva friktionskraften beror dock på normalkraften och därmed på blockets massa.

Beroende på situationen kan beräkningen av normalkraften $N$ inkludera andra krafter än gravitationen. Om ett föremål är på en plan yta och utsätts för en yttre kraft $P$ som tenderar att få det att glida, då är normalkraften mellan objektet och ytan bara $N =mg+P_{y}$ , där $mg$ är blockets vikt och $P_{y}$ är den nedåtgående komponenten av den yttre kraften. Före glidning är denna friktionskraft ${\displaystyle F_{f}=-P_{x}} ,$ där $P_{x}$ är den horisontella komponenten av den yttre kraften. Således är $F_{f}\leq \mu N$ i allmänhet. Glidningen börjar först efter att denna friktionskraft når värdet $F_{f}=\mu N$ . Tills dess är friktion vad det än behöver vara för att ge jämvikt, så det kan behandlas som enbart en reaktion.

Om föremålet är på en lutande yta, såsom ett lutande plan, är normalkraften från gravitationen mindre än $mg$ , eftersom mindre av gravitationskraften är vinkelrät mot planets yta. Normalkraften och friktionskraften bestäms slutligen med hjälp av vektoranalys , vanligtvis via ett frikroppsdiagram .

I allmänhet är processen för att lösa eventuella statiska problem med friktion att behandla kontaktytor preliminärt som orörliga så att motsvarande tangentiella reaktionskraft mellan dem kan beräknas. Om denna friktionsreaktionskraft uppfyller ${\displaystyle F_{f}\leq \mu N} ,$ så var det preliminära antagandet korrekt, och det är den faktiska friktionskraften. Annars måste friktionskraften sättas lika med ${\displaystyle F_{f}=\mu N} ,$ och då skulle den resulterande kraftobalansen bestämma accelerationen som är förknippad med glidning.

Friktionskoefficient

Friktionskoefficienten (COF), ofta symboliserad med den grekiska bokstaven µ , är ett dimensionslöst skalärt värde som är lika med förhållandet mellan friktionskraften mellan två kroppar och kraften som trycker ihop dem, antingen under eller i början av glidningen. Friktionskoefficienten beror på de material som används; till exempel har is på stål en låg friktionskoefficient, medan gummi på beläggning har en hög friktionskoefficient. Friktionskoefficienterna sträcker sig från nära noll till större än ett. Friktionskoefficienten mellan två ytor av liknande metaller är större än den mellan två ytor av olika metaller; till exempel har mässing en högre friktionskoefficient när den förflyttas mot mässing, men mindre om den flyttas mot stål eller aluminium.

För ytor i vila i förhållande till varandra, $\mu =\mu _{\mathrm {s} }$ , där $\mu _{\mathrm {s} }$ är statisk friktionskoefficient . Detta är vanligtvis större än dess kinetiska motsvarighet. Den statiska friktionskoefficienten som ett par kontaktytor uppvisar beror på de kombinerade effekterna av materialdeformationsegenskaper och ytråhet , som båda har sitt ursprung i den kemiska bindningen mellan atomer i vart och ett av bulkmaterialen och mellan materialytorna och eventuella adsorberat material . Ytornas fraktalitet , en parameter som beskriver skalningsbeteendet hos ytskillnader, är känd för att spela en viktig roll för att bestämma storleken på den statiska friktionen .

För ytor i relativ rörelse $\mu =\mu _{\mathrm {k} }$ , där $\mu _{\mathrm {k} }$ är kinetisk friktionskoefficient . Coulomb-friktionen är lika med ${\displaystyle F_{\mathrm {f} }} ,$ och friktionskraften på varje yta utövas i motsatt riktning mot dess rörelse i förhållande till den andra ytan.

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

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

Även om det ofta sägs att COF är en "materiell egenskap", kategoriseras den bättre som en "systemegenskap". Till skillnad från verkliga materialegenskaper (som ledningsförmåga, dielektricitetskonstant, sträckgräns), beror COF för två material på systemvariabler som temperatur , hastighet , atmosfär och även vad som nu populärt beskrivs som åldrings- och föråldringstider; samt om geometriska egenskaper hos gränssnittet mellan materialen, nämligen ytstruktur . Exempelvis kan en kopparstift 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 test med "låg hastighet". ^{[ citat behövs ]}

Ungefärliga friktionskoefficienter

Material		Statisk friktion, $\mu _{\mathrm {s} }$		Kinetisk/glidfriktion, $\mu _{\mathrm {k} }\,$
Material		Torrt och rent	Smörjt	Torrt och rent	Smörjt
Aluminium	Stål	0,61		0,47
Aluminium	Aluminium	1.05–1.35	0,3	1,4–1,5
Guld	Guld			2.5
Platina	Platina	1.2	0,25	3.0
Silver	Silver	1.4	0,55	1.5
Aluminiumoxid keramik	Kiselnitrid keramik				0,004 (våt)
BAM (keramisk legering AlMgB ₁₄ )	Titanborid (TiB ₂ )	0,04–0,05	0,02
Mässing	Stål	0,35–0,51	0,19	0,44
Gjutjärn	Koppar	1,05		0,29
Gjutjärn	Zink	0,85		0,21
Betong	Sudd	1.0	0,30 (våt)	0,6–0,85	0,45–0,75 (våt)
Betong	Trä	0,62
Koppar	Glas	0,68		0,53
Koppar	Stål	0,53		0,36	0,18
Glas	Glas	0,9–1,0	0,005–0,01	0,4	0,09–0,116
Mänsklig ledvätska	Mänskligt brosk		0,01		0,003
Is	Is	0,02–0,09
Polyeten	Stål	0,2	0,2
PTFE (teflon)	PTFE (teflon)	0,04	0,04		0,04
Stål	Is	0,03
Stål	PTFE (teflon)	0,04−0,2	0,04		0,04
Stål	Stål	0,74–0,80	0,005–0,23	0,42–0,62	0,029–0,19
Trä	Metall	0,2–0,6	0,2 (våt)	0,49	0,075
Trä	Trä	0,25–0,62	0,2 (våt)	0,32–0,48	0,067–0,167

Under vissa förhållanden har vissa material mycket låga friktionskoefficienter. Ett exempel är (högordnad pyrolytisk) grafit som kan ha en friktionskoefficient under 0,01. Denna ultralågfriktionsregim kallas superlubricitet .

Statisk friktion

När massan inte rör sig upplever föremålet statisk friktion. Friktionen ökar när den applicerade kraften ökar tills blocket rör sig. Efter att blocket rör sig upplever det kinetisk friktion, vilket är mindre än den maximala statiska friktionen.

Statisk friktion är friktion mellan två eller flera fasta föremål som inte rör sig i förhållande till varandra. Till exempel kan statisk friktion förhindra ett föremål från att glida nedför en sluttande yta. Den statiska friktionskoefficienten, vanligtvis betecknad som μ _s , är vanligtvis högre än den kinetiska friktionskoefficienten. Statisk friktion anses uppstå som ett resultat av ytjämnhet över flera längdskalor vid fasta ytor. Dessa egenskaper, så kallade asperities , är närvarande ner till dimensioner i nanoskala och resulterar i verklig fast till solid kontakt som endast existerar vid ett begränsat antal punkter som endast står för en bråkdel av den skenbara eller nominella kontaktytan. Linjäriteten mellan applicerad belastning och verklig kontaktyta, som härrör från asperitetsdeformation, ger upphov till linjäriteten mellan statisk friktionskraft och normalkraft, som finns för typisk friktion av Amonton-Coulomb-typ.

Den statiska friktionskraften måste övervinnas av en applicerad kraft innan ett föremål kan röra sig. Den maximala möjliga friktionskraften mellan två ytor innan glidningen börjar är produkten av den statiska friktionskoefficienten och normalkraften: $F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}$ . När det inte sker någon glidning kan friktionskraften ha vilket värde som helst från noll upp till $F_{\text{max}}$ . Varje kraft som är mindre än $F_{\text{max}}$ som försöker glida en yta över den andra motverkas av en friktionskraft av samma storlek och motsatt riktning. Varje kraft som är större än $F_{\text{max}}$ övervinner kraften från statisk friktion och orsakar glidning. Den omedelbara glidningen inträffar, statisk friktion är inte längre tillämplig - friktionen mellan de två ytorna kallas då kinetisk friktion. Emellertid kan en skenbar statisk friktion observeras även i fallet när den sanna statiska friktionen är noll.

Ett exempel på statisk friktion är kraften som hindrar ett bilhjul från att glida när det rullar på marken. Även om hjulet är i rörelse är lappen på däcket i kontakt med marken stationär i förhållande till marken, så det är statisk snarare än kinetisk friktion. Vid slirning ändras hjulfriktionen till kinetisk friktion. Ett låsningsfritt bromssystem fungerar på principen att tillåta ett låst hjul att återuppta rotationen så att bilen bibehåller statisk friktion.

Det maximala värdet av statisk friktion, när rörelse är nära förestående, kallas ibland för begränsande friktion , även om denna term inte används universellt.

Kinetisk friktion

Kinetisk friktion , även känd som dynamisk friktion eller glidfriktion , uppstår när två föremål rör sig i förhållande till varandra och gnuggar ihop (som en släde på marken). Den kinetiska friktionskoefficienten betecknas typiskt som μ _k , och är vanligtvis mindre än den statiska friktionskoefficienten för samma material. Richard Feynman kommenterar dock att "med torra metaller är det mycket svårt att visa någon skillnad." Friktionskraften mellan två ytor efter att glidningen börjar är produkten av kinetisk friktionskoefficient och normalkraften: $F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{ n}$ . Detta är ansvarigt för Coulomb-dämpningen av ett oscillerande eller vibrerande system.

Nya modeller börjar visa hur kinetisk friktion kan vara större än statisk friktion. Kinetisk friktion förstås nu, i många fall, i första hand orsakad av kemisk bindning mellan ytorna, snarare än sammankopplade ojämnheter; i många andra fall är emellertid ojämnhetseffekter dominerande, t.ex. i gummi mot vägfriktion. Ytjämnhet och kontaktyta påverkar kinetisk friktion för objekt i mikro- och nanoskala där ytareakrafter dominerar tröghetskrafter.

Ursprunget till kinetisk friktion på nanoskala kan förklaras med termodynamik. Vid glidning bildas ny yta på baksidan av en glidande äkta kontakt, och befintlig yta försvinner på framsidan av den. Eftersom alla ytor involverar den termodynamiska ytenergin måste arbete läggas på att skapa den nya ytan, och energi frigörs som värme för att ta bort ytan. Det krävs alltså en kraft för att förflytta baksidan av kontakten och friktionsvärme frigörs framtill.

Friktionsvinkel, θ , när blocket precis börjar glida.

Friktionsvinkel

För vissa tillämpningar är det mer användbart att definiera statisk friktion i termer av den maximala vinkeln före vilken ett av föremålen kommer att börja glida. Detta kallas friktionsvinkel eller friktionsvinkel . Det definieras som:

\tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }

och sålunda:

\theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}

där

\theta

är vinkeln från horisontalplanet och μ _s är den statiska friktionskoefficienten mellan objekten. Denna formel kan också användas för att beräkna μ _s från empiriska mätningar av friktionsvinkeln.

Friktion på atomnivå

Att bestämma de krafter som krävs för att flytta atomer förbi varandra är en utmaning vid design av nanomaskiner . År 2008 kunde forskare för första gången flytta en enda atom över en yta och mäta de krafter som krävdes. 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 för Coulomb-modellen

Coulomb-approximationen följer av antagandena att: ytor är i atomärt nära kontakt endast över en liten bråkdel av sin totala yta; att denna kontaktyta är proportionell mot normalkraften (tills mättnad, som sker när all yta är i atomkontakt); och att friktionskraften är proportionell mot den applicerade normalkraften, oberoende av kontaktytan. Coulomb-approximationen är i grunden en empirisk konstruktion. Det är en tumregel som beskriver det ungefärliga resultatet av en extremt komplicerad fysisk interaktion. Styrkan med approximationen är dess enkelhet och mångsidighet. Även om förhållandet mellan normalkraft och friktionskraft inte är exakt linjär (och så friktionskraften är inte 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 approximation (till exempel motstår tejp att glida även när det inte finns någon normalkraft eller en negativ normalkraft). I detta fall kan friktionskraften vara starkt beroende av kontaktytan. Vissa dragracing- däck är vidhäftande av denna anledning. Men trots komplexiteten i den grundläggande fysiken bakom friktion, är relationerna tillräckligt exakta för att vara användbara i många tillämpningar.

"Negativ" friktionskoefficient

Från och med 2012 har en enda studie visat potentialen för en effektivt negativ friktionskoefficient i lågbelastningsregimen, vilket innebär att en minskning av normalkraft leder till en ökning av friktion. Detta motsäger vardagsupplevelsen där en ökning av normalkraften leder till en ökad friktion. Detta rapporterades i tidskriften Nature i oktober 2012 och involverade friktionen som möttes av en atomkraftsmikroskopstift när den släpades över ett grafenark i närvaro av grafenadsorberat syre.

Numerisk simulering av Coulomb-modellen

Trots att den är en förenklad friktionsmodell är Coulomb-modellen användbar i många numeriska simuleringsapplikationer som flerkroppssystem och granulärt material . Till och med dess enklaste uttryck kapslar in 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 unilateral kontakt. Vissa ganska olinjära effekter , såsom de så kallade Painlevé-paradoxerna , kan uppstå med Coulomb-friktion.

Torr friktion och instabilitet

Torr friktion 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 materialexpansion på grund av värmegenerering under friktion (de termo-elastiska instabiliteterna), eller av rena dynamiska effekter av glidning av två elastiska material (Adams) –Martins instabilitet). 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 bromspip och "sången" av en glasharpa , fenomen som involverar stick and slip, modellerat som en droppe av friktionskoefficient med hastighet.

Ett praktiskt viktigt fall är självsvängningen av stråkarna i stråkinstrument som fiol , cello , gurdy, erhu , etc.

Ett samband mellan torr friktion och fladderinstabilitet i ett enkelt mekaniskt system har upptäckts, se filmen Arkiverad 2015-01-10 på Wayback Machine för mer information.

Friktionsinstabilitet kan leda till bildandet av nya självorganiserade mönster (eller "sekundära strukturer") vid glidgränssnittet, såsom in-situ formade tribofilmer som används för att minska friktion och slitage i så kallade självsmörjande material .

Vätskefriktion

Vätskefriktion uppstår mellan vätskeskikt som rör sig i förhållande till varandra. Detta inre motstånd mot flöde kallas viskositet . I vardagliga termer beskrivs en vätskas viskositet som dess "tjocklek". Sålunda är vatten "tunt", med lägre viskositet, medan honung är "tjockt", med högre viskositet. Ju mindre viskös vätskan är, desto lättare är den att deformera eller röra sig.

Alla riktiga vätskor (förutom supervätskor ) ger viss motståndskraft mot skjuvning och är därför viskösa. För undervisnings- och förklaringsändamål är det bra att använda konceptet med en inviscid vätska eller en idealisk vätska som inte ger något motstånd mot skjuvning och därför inte är trögflytande.

Smörjt friktion

Smörjt friktion är ett fall av vätskefriktion där en vätska separerar två fasta ytor. Smörjning är en teknik som används för att minska slitaget på en eller båda ytorna i omedelbar närhet som rör sig i förhållande till varandra genom att lägga in ett ämne som kallas smörjmedel mellan ytorna.

I de flesta fall bärs den applicerade belastningen av tryck som genereras i vätskan på grund av det friktionsviskösa motståndet mot rörelse hos smörjvätskan mellan ytorna. Tillräcklig smörjning möjliggör jämn kontinuerlig drift av utrustningen, med endast milt slitage och utan överdriven påfrestning eller kärvning av lager. När smörjningen går sönder kan metall eller andra komponenter gnida destruktivt över varandra, orsaka värme och eventuellt skada eller fel.

Hudfriktion

Hudfriktion uppstår från interaktionen mellan vätskan och kroppens hud, och är direkt relaterad till det område på kroppsytan som är i kontakt med vätskan. Hudfriktion följer dragekvationen och stiger med kvadraten på hastigheten.

Hudfriktion orsakas av trögflytande drag i gränsskiktet runt föremålet. Det finns två sätt att minska hudfriktionen: det första är att forma den rörliga kroppen så att ett jämnt flöde är möjligt, som en bäryta. Den andra metoden är att minska längden och tvärsnittet av det rörliga föremålet så mycket som är praktiskt möjligt.

Inre friktion

Intern friktion är den kraftmotstående rörelsen mellan elementen som utgör ett fast material medan det genomgår deformation .

Plastisk deformation i fasta ämnen är en irreversibel förändring i den inre molekylära strukturen hos ett föremål. Denna förändring kan bero på antingen (eller båda) en applicerad kraft eller en förändring i temperatur. Förändringen av ett föremåls form kallas töjning. Kraften som orsakar det kallas stress .

Elastisk deformation i fasta ämnen är reversibel förändring i den inre molekylära strukturen hos ett föremål. Stress orsakar inte nödvändigtvis permanent förändring. När deformation uppstår motverkar interna krafter den applicerade kraften. Om den applicerade spänningen inte är för stor kan dessa motverkande krafter helt motstå den applicerade kraften, vilket gör att föremålet kan anta ett nytt jämviktstillstånd och återgå till sin ursprungliga form när kraften avlägsnas. Detta är känt som elastisk deformation eller elasticitet.

Strålningsfriktion

Som en konsekvens av lätt tryck förutspådde Einstein 1909 förekomsten av "strålningsfriktion" som skulle motsätta sig materiens rörelse. Han skrev, "strålning kommer att utöva tryck på båda sidor av plattan. Tryckkrafterna som utövas på de två sidorna är lika om plattan är i vila. Men om den är i rörelse kommer mer strålning att reflekteras på ytan som är framåt under rörelsen (främre ytan) än på baksidan. Den bakåtverkande tryckkraften som utövas på den främre ytan är alltså större än tryckkraften som verkar på baksidan. Därför, som resultatet av de två krafterna, det finns kvar en kraft som motverkar plattans rörelse och som ökar med plattans hastighet. Vi kommer att kalla denna resulterande 'strålningsfriktion' i korthet."

Andra typer av friktion

Rullmotstånd

Rullmotstånd är den kraft som motverkar rullning av ett hjul eller annat cirkulärt föremål längs en yta orsakad av deformationer i föremålet eller ytan. Generellt är kraften hos rullmotståndet mindre än den som är förknippad med kinetisk friktion. Typiska värden för rullmotståndskoefficienten är 0,001. Ett av de vanligaste exemplen på rullmotstånd är rörelsen av motorfordonsdäck på en väg , en process som genererar värme och ljud som biprodukter.

Bromsfriktion

Alla hjul som är utrustade med en broms kan generera en stor bromskraft, vanligtvis i syfte att bromsa och stoppa ett fordon eller en roterande maskin. Bromsfriktion skiljer sig från rullfriktion eftersom friktionskoefficienten för rullfriktion är liten medan friktionskoefficienten för bromsfriktion är utformad för att vara stor genom val av material för bromsbelägg .

Triboelektrisk effekt

Att gnugga olika material mot varandra kan orsaka en uppbyggnad av elektrostatisk laddning , vilket kan vara farligt om det finns brandfarliga gaser eller ångor. När den statiska uppbyggnaden urladdas explosioner orsakas av antändning av den brandfarliga blandningen.

Bältes friktion

Remfriktion är en fysisk egenskap som observeras från krafterna som verkar på en rem lindad runt en remskiva när ena änden dras. Den resulterande spänningen, som verkar på båda ändarna av bältet, kan modelleras av remfriktionsekvationen.

I praktiken kan den teoretiska spänningen som verkar på bältet eller repet beräknad av bältets friktionsekvation jämföras med den maximala spänningen som bältet kan bära. Detta hjälper en konstruktör av en sådan rigg att veta hur många gånger remmen eller repet måste lindas runt remskivan för att förhindra att det glider. Bergsklättrare och seglarbesättningar visar en standardkunskap om bältesfriktion när de utför grundläggande uppgifter.

Minska friktionen

Enheter

Enheter som hjul, kullager , rullager och luftkuddar eller andra typer av vätskelager kan ändra glidfriktion till en mycket mindre typ av rullfriktion.

Många termoplastiska material som nylon , HDPE och PTFE används ofta i lågfriktionslager . De är särskilt användbara eftersom friktionskoefficienten faller med ökande pålagd belastning. För förbättrad slitstyrka specificeras vanligtvis mycket höga molekylvikter för tunga eller kritiska lager .

Smörjmedel

Ett vanligt sätt att minska friktionen är att använda ett smörjmedel , såsom olja, vatten eller fett, som placeras mellan de två ytorna, vilket ofta dramatiskt minskar friktionskoefficienten. Vetenskapen om friktion och smörjning kallas tribologi . Smörjmedelsteknologi är när smörjmedel blandas med tillämpning av vetenskap, särskilt för industriella eller kommersiella syften.

Supersmörjhet, en nyligen upptäckt effekt, har observerats i grafit : det är den avsevärda minskningen av friktionen mellan två glidande föremål som närmar sig nollnivåer. En mycket liten mängd friktionsenergi skulle fortfarande försvinna.

Smörjmedel för att övervinna friktion behöver inte alltid vara tunna, turbulenta vätskor eller pulverformiga fasta ämnen som grafit och talk ; akustisk smörjning använder faktiskt ljud som smörjmedel.

Ett annat sätt att minska friktionen mellan två delar är att överlagra mikroskalig vibration på en av delarna. Detta kan vara sinusformad vibration som används vid ultraljudsassisterad skärning eller vibrationsljud, känt som vibrering .

Friktionsenergi

Enligt lagen om bevarande av energi , förstörs ingen energi på grund av friktion, även om den kan gå förlorad för orosystemet. Energi omvandlas från andra former till termisk energi. En glidande hockeypuck kommer till ro eftersom friktion omvandlar dess kinetiska energi till värme som höjer den termiska energin hos pucken och isytan. Eftersom värme snabbt försvinner, drog många tidiga filosofer, inklusive Aristoteles , felaktigt slutsatsen att rörliga föremål förlorar energi utan en drivkraft.

När ett föremål skjuts längs en yta längs en bana C, ges energin som omvandlas till värme av en linjeintegral , i enlighet med definitionen av arbete

E_{th}=\int _{C}\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} \ =\int _{C}\mu _{\mathrm {k} }\ \mathbf {F} _{\ mathrm {n} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} ,

var

$\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }$ är friktionskraften,
$\mathbf {F} _{\mathrm {n} }$ är vektorn som erhålls genom att multiplicera storleken på normalkraften med en enhetsvektor som pekar mot objektets rörelse,
$\mu _{\mathrm {k} }$ är den kinetiska friktionskoefficienten, som är inuti integralen eftersom den kan variera från plats till plats (t.ex. om materialet ändras längs banan),
$\mathbf {x}$ är objektets position.

Energi som går förlorad till ett system till följd av friktion är ett klassiskt exempel på termodynamisk irreversibilitet .

Friktionsarbete

I referensramen för gränssnittet mellan två ytor fungerar inte statisk friktion, eftersom det aldrig sker någon förskjutning mellan ytorna. I samma referensram är kinetisk friktion alltid i motsatt riktning mot rörelsen och gör negativt arbete. Däremot kan friktion göra positivt arbete i vissa referensramar . Man kan se detta genom att placera en tung låda på en matta och sedan dra i mattan snabbt. I detta fall glider lådan bakåt i förhållande till mattan, men rör sig framåt i förhållande till referensramen där golvet står stilla. Således accelererar den kinetiska friktionen mellan lådan och mattan lådan i samma riktning som lådan rör sig, vilket gör ett positivt arbete.

Arbetet som utförs av friktion kan översättas till deformation, slitage och värme som kan påverka kontaktytegenskaperna (även friktionskoefficienten mellan ytorna). Detta kan vara fördelaktigt som vid polering . Friktionsarbetet används för att blanda och sammanfoga material som till exempel vid friktionssvetsning . Överdriven erosion eller slitage av passande glidytor uppstår när arbete på grund av friktionskrafter stiger till oacceptabla nivåer. Hårdare korrosionspartiklar som fångas mellan motverkande ytor i relativ rörelse ( frätning ) förvärrar slitaget av friktionskrafter. Eftersom ytor slits av arbete på grund av friktion, passform och ytfinish på ett föremål försämras tills det inte längre fungerar korrekt. Till exempel kan lager haka eller fel orsakas av överdrivet slitage på grund av friktionsarbete.

Ansökningar

Friktion är en viktig faktor inom många ingenjörsdiscipliner .

Transport

Bilbromsar är naturligt beroende av friktion och bromsar ett fordon genom att omvandla dess kinetiska energi till värme. För övrigt är att sprida denna stora mängd värme på ett säkert sätt en teknisk utmaning vid design av bromssystem. Skivbromsar är beroende av friktion mellan en skiva och bromsbelägg som pressas tvärs mot den roterande skivan. I trumbromsar pressas bromsbackar eller belägg utåt mot en roterande cylinder (bromstrumma) för att skapa friktion . Eftersom bromsskivor kan kylas mer effektivt än trummor har skivbromsar bättre stoppprestanda.
Rälsvidhäftning avser grepphjulen på ett tåg har på rälsen, se Friktionskontaktmekanik .
Halka är en viktig design- och säkerhetsfaktor för bilar
- Delad friktion är ett särskilt farligt tillstånd som uppstår på grund av varierande friktion på vardera sidan av en bil.
- Vägstrukturen påverkar samspelet mellan däcken och körytan.

Mått

En tribometer är ett instrument som mäter friktion på en yta.
En profilograf är en anordning som används för att mäta beläggningens ytjämnhet.

Hushållsanvändning

Friktion används för att värma upp och antända tändstickor (friktion mellan huvudet på en tändsticka och gnidytan på tändsticksasken).
Sticky pads används för att förhindra att föremål glider av släta ytor genom att effektivt öka friktionskoefficienten mellan ytan och föremålet.

Se även

externa länkar

"Friktion" . Encyclopædia Britannica . Vol. 11 (11:e upplagan). 1911.
Friktionskoefficienter – tabeller med koefficienter, plus många länkar
Mätning av friktionskraft
Physclips: Mekanik med animationer och videoklipp från University of New South Wales
Värden för friktionskoefficient – CRC Handbook of Chemistry and Physics
Karakteristiska fenomen i transportörkedjan
Atomic-scale Friction Research and Education Synergy Hub (AFRESH) en teknisk virtuell organisation för friktionsgemenskapen i atomskala för att dela, arkivera, länka och diskutera data, kunskap och verktyg relaterade till friktion i atomskala.
Friktionskoefficienter för olika materialpar i atmosfär och vakuum .