El fenómeno stick-slip , también conocido como el fenómeno slip-stick o simplemente stick-slip , es el movimiento de sacudida espontáneo que puede ocurrir mientras dos objetos se deslizan uno sobre el otro.
Causa
A continuación se muestra una descripción heurística simple de los fenómenos de pegado-deslizamiento utilizando la mecánica clásica que es relevante para las descripciones de ingeniería. Sin embargo, en la actualidad, hay poco consenso en la academia con respecto a la descripción física real de stick-slip que sigue a la falta de comprensión sobre los fenómenos de fricción en general. La opinión generalmente aceptada es que el comportamiento de pegado-deslizamiento es el resultado de modos de fonón comunes (en la interfaz entre el sustrato y el deslizador) que se fijan en un paisaje de pozo de potencial ondulado que influye principalmente en el desbloqueo (deslizamiento) y el pin (pegado). por fluctuaciones térmicas. Sin embargo, el comportamiento de fricción de palo-deslizamiento se encuentra en una amplia gama de escalas de longitud desde la atómica hasta la tectónica, y no existe un único mecanismo físico subyacente responsable de todas las manifestaciones.
La rigidez del resorte (que se muestra en la imagen a continuación), la carga normal en la interfaz (el peso del control deslizante), la duración del tiempo que ha existido la interfaz (que influye en el transporte de masa química y la formación de enlaces), la tasa original (velocidad) de deslizamiento (cuando el control deslizante está en la fase de deslizamiento): todos influyen en el comportamiento del sistema. [1] Una descripción que utiliza fonones comunes (en lugar de leyes constitutivas como el modelo de fricción de Coulomb) proporciona explicaciones para el ruido que generalmente acompaña a las ondas acústicas de superficie. El uso de modelos constitutivos complicados que conducen a soluciones discontinuas (ver paradoja de Painlevé ) termina requiriendo un esfuerzo matemático innecesario (para soportar sistemas dinámicos no uniformes) y no representan la verdadera descripción física del sistema. Sin embargo, estos modelos son muy útiles para simulaciones y animaciones de baja fidelidad.
Descripción de ingeniería
Stick-slip se puede describir como superficies que alternan entre adherirse y deslizarse una sobre otra, con un cambio correspondiente en la fuerza de fricción . Normalmente, el coeficiente de fricción estática (un número heurístico) entre dos superficies es mayor que el coeficiente de fricción cinética . Si una fuerza aplicada es lo suficientemente grande para superar la fricción estática, entonces la reducción de la fricción a la fricción cinética puede causar un salto repentino en la velocidad del movimiento. [2] La imagen adjunta muestra simbólicamente un ejemplo de stick-slip.
V es un sistema de accionamiento, R es la elasticidad del sistema y M es la carga que está en el suelo y se empuja horizontalmente. Cuando se pone en marcha el sistema de transmisión, el resorte R se carga y su fuerza de empuje contra la carga M aumenta hasta que el coeficiente de fricción estática entre la carga M y el piso ya no puede sostener la carga. La carga comienza a deslizarse y el coeficiente de fricción disminuye de su valor estático a su valor dinámico. En este momento el resorte puede dar más potencia y acelera M. Durante el movimiento de M, la fuerza del resorte disminuye, hasta que es insuficiente para vencer la fricción dinámica. A partir de este punto, M desacelera hasta detenerse. Sin embargo, el sistema de transmisión continúa y el resorte se vuelve a cargar, etc.
Ejemplos de
Se pueden escuchar ejemplos de stick-slip en cilindros hidráulicos , frenos húmedos de tractores, bruñidoras, etc. Se pueden agregar aditivos especiales al fluido hidráulico o al fluido refrigerante para superar o minimizar el efecto stick-slip. Stick-slip también se experimenta en tornos, centros de fresado y otras maquinarias donde algo se desliza sobre una guía deslizante. Los aceites para guías deslizantes suelen enumerar la "prevención de pegado-deslizamiento" como una de sus características. Otros ejemplos del fenómeno stick-slip incluyen la música que proviene de los instrumentos de arco , el ruido de los frenos y neumáticos de los automóviles y el ruido de un tren que se detiene . También se ha observado stick-slip en el cartílago articular en condiciones de carga y deslizamiento leves, lo que podría resultar en un desgaste abrasivo del cartílago. [3]
Otro ejemplo del fenómeno stick-slip ocurre cuando las notas musicales se tocan con un arpa de vidrio frotando un dedo mojado a lo largo del borde de una copa de vino de cristal. Un animal que produce sonido mediante la fricción de palo-deslizamiento es la langosta espinosa que frota sus antenas sobre superficies lisas en su cabeza. [4] Otro ejemplo más común que produce sonido mediante la fricción de palo-deslizamiento es el saltamontes .
Stick-slip también se puede observar a escala atómica utilizando un microscopio de fuerza de fricción . [5] En tal caso, el fenómeno se puede interpretar utilizando el modelo de Tomlinson .
El comportamiento de las fallas sísmicamente activas también se explica mediante un modelo stick-slip, generando terremotos durante los períodos de deslizamiento rápido. [6]
El sonido característico de los zapatos de baloncesto chirriar en una cancha se produce por el contacto entre las suelas de goma y el piso de madera . [7]
Stick-slip es el mecanismo físico básico para el control activo de la fricción mediante la aplicación de vibraciones. [8]
Investigadores de la Universidad de California en San Diego desarrollaron un enjambre de robots de origami plegables que utilizan el fenómeno de deslizamiento y deslizamiento para la locomoción. [9]
Incluso se puede observar aparente adherencia-deslizamiento en un sistema que no tiene fuerza de fricción estática ("adherencia dinámica") [10]
Referencias
- ^ F. Heslot, T. Baumberger, B. Perrin, B. Caroli y C. Caroli, Phys. Rev. E 49, 4973 (1994) Fricción deslizante: Principios físicos y aplicaciones - Bo NJ Persson Ruina, Andy. "Inestabilidad de deslizamiento y leyes de fricción de estado variable". Revista de investigación geofísica 88.B12 (1983): 10359-10
- ^ Kligerman, Y .; Varenberg, M. (2014). "Eliminación del movimiento stick-slip en deslizamientos de superficie partida o rugosa". Cartas de tribología . 53 (2): 395–399. doi : 10.1007 / s11249-013-0278-8 .
- ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, Fricción stick-slip y desgaste de las articulaciones articulares , PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
- ^ SN Patek (2001). "Las langostas se pegan y se deslizan para hacer ruido". Naturaleza . 411 (6834): 153-154. Código Bibliográfico : 2001Natur.411..153P . doi : 10.1038 / 35075656 . PMID 11346780 .
- ^ Fricción a escala atómica de una punta de tungsteno en una superficie de grafito CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson y S. Chiang Phys. Rev. Lett. 59 , 1942 (1987)
- ^ Scholz, CH (2002). La mecánica de terremotos y fallas (2 ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 81–84. ISBN 978-0-521-65540-8. Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
- ^ Branch, John (17 de marzo de 2017). "¿Por qué los juegos de baloncesto son tan chillones? Considere la langosta" . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 19 de marzo de 2017 .
- ^ Popov, M .; Popov, VL; Popov, NV (1 de marzo de 2017). "Reducción del rozamiento por oscilaciones normales. I. Influencia de la rigidez de contacto". Fricción . 5 (1): 45–55. arXiv : 1611.07017 . doi : 10.1007 / s40544-016-0136-4 .
- ^ Weston-Dawkes, William P .; Ong, Aaron C .; Majit, Mohamad Ramzi Abdul; Joseph, Francis; Tolley, Michael T. (2017). "Hacia una rápida personalización mecánica de agentes auto-plegables a escala cm". 2017 IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) . págs. 4312–4318. doi : 10.1109 / IROS.2017.8206295 . ISBN 978-1-5386-2682-5.
- ^ Nakano, K; Popov, VL (10 de diciembre de 2020). "Sticción dinámica sin fricción estática: el papel de la rotación del vector de fricción" . Revisión E física . 102 (6): 063001. doi : 10.1103 / PhysRevE.102.063001 .
- Zypman, FR; Ferrante, J .; Jansen, M .; Scanlon, K .; Abel, P. (2003), "Evidencia de criticidad autoorganizada en fricción por deslizamiento seco", Journal of Physics: Condensed Matter , 15 (12): L191, doi : 10.1088 / 0953-8984 / 15/12/101
enlaces externos
- Simulación del comportamiento de pegado-deslizamiento en un microscopio de fuerza de fricción (película)
- Jianguo Wu, Ashlie Martini, "Atomic Stick-Slip", DOI: 10254 / nanohub-r7771.1, 2009
- Weston-Dawkes W., et al., "Designing Customizable Self-Plegable Swarm Robots", 2017