1. Wstęp.
Tarcie, zjawisko łatwe do zaobserwowania i do pomiarów, jest wynikiem wielu wzajemnie oddziałujących na siebie procesów. Wydaje się, że badania nad siłami tarcia znajdują się poza głównym nurtem zainteresowań fizyków - wiele lat temu orzekli oni, iż na powstawanie tarcia ma główny wpływ chropowatość materii. W poniższej pracy zaprezentujemy przeprowadzone przez nas doświadczenie, które miało na celu potwierdzenie jednego z nowo odkrytych praw tarcia. Doświadczenie wykonaliśmy przy użyciu prostych, łatwo dostępnych materiałów co uwzględniając prostotę wykonania pozwala na wykorzystanie go na przykład jako ćwiczenie na pracowni studenckiej lub jako demonstrację na wykładzie. Opis doświadczenia poprzedzony zostanie krótkim przedstawieniem wyników najnowszych badań nad zjawiskiem tarcia (zarówno w skali mikro, jak i makroskopowej).
2. Historia - klasyczne prawa tarcia.
Początki nowoczesnej trybologii sięgają XV wieku. Jednakże dopiero wiek XVII przyniósł nowe odkrycia, które przyczyniły się do powstania klasycznych praw tarcia. W tym to wieku francuski fizyk Amontons oraz, bardziej znany ze swych odkryć w elektrostatyce, Coulomb badali przesuwanie się po sobie dwóch suchych powierzchni. Ich wnioski pozwoliły na sformułowanie zasad rządzących tym zjawiskiem:
· I. Siła tarcia jest proporcjonalna do siły normalnej.
· II. Siła tarcia nie zależy od nominalnej powierzchni styku określonej przez wymiary nominalne.
· III. Współczynnik tarcia nie zależy od prędkości poślizgu.
· IV. Współczynnik tarcia statycznego jest większy niż tarcia kinetycznego.
Prawa te okazały się znacznie trwalsze niż inne, póĽniejsze próby wyjaśnienia tego zjawiska, jak choćby te, które odwoływały się do chropowatości powierzchni lub zjawiska tarcia molekularnego. W latach pięćdziesiątych odrzucono tezę o chropowatości powierzchni jako głównych Ľródle tarcia. Zauważono bowiem, że tarcie między dwoma powierzchniami jest mniejsze, gdy jedna z nich jest bardziej chropowata. Co więcej okazało się, że tarcie gwałtownie wzrośnie jeżeli obie powierzchnie wygładzimy. Teoria przylegania molekularnego obroniła się jednak dosyć skutecznie. Zauważono bowiem, że tarcie zgodnie z drugim klasycznym prawem tarcia jest niezależne od obserwowanej powierzchni styku, to jednak silnie zależy od rzeczywistej powierzchni styku. Oznacza to, że przylegające powierzchnie wzajemnie napierają na siebie w punktach styku, czyli miejscach, w których występuje między nimi tarcie
Jeżeli siła dociskająca obie powierzchnie rośnie, wzrasta także całkowita powierzchnia styku (suma wszystkich punktów zetknięcia). I to właśnie ten wzrost, a nie mikronierówności powierzchni powoduje wzrost siły tarcia. Model ten zakładał przede wszystkim, że siła tarcia zależy od sił przylegania w rzeczywistych punktach styku. Siły te są jednak tak wielkie, że materiał musiałby podlegać ustawicznemu niszczeniu. Rozwiązanie to nie tłumaczyło jednak występowania tarcia gdy zużywanie się powierzchni jest pomijalnie małe, jak na przykład przy przesuwaniu po sobie dwóch jednorodnych warstw miki. Wykorzystano tutaj fakt, iż mika jest gładka w skali atomowej na powierzchniach rzędu 1 cm2. Dzięki nowemu urządzeniu pomiarowemu udało się potwierdzić na poziomie atomowym fakt, że tarcie zależy od rzeczywistej powierzchni styku. Zaobserwowano, że tarcie związane jest z pewnego rodzaju "nieodwracalnością" przylegania, oznacza to, że powierzchnie zachowują się inaczej gdy są ściskane, a inaczej gdy się je rozdziela.
3. Najnowsze badania - główne przyczyny tarcia.
a) wzbudzanie fononów w sieci krystalicznej
Na początku lat dziewięćdziesiątych naukowcy z IBM Almaden Research Centre opracowali bardzo prosty model zjawiska tarcia, które nie powoduje zniszczenia materiału. Głównym założeniem tego modelu jest to, że tarcie pochodzi od drgania sieci krystalicznej. Z tym zjawiskiem mamy do czynienia wówczas, gdy atomy jednej powierzchni są wprawiane w ruch przesuwaniem się atomów warstwy przeciwległej. Dzięki temu część energii mechanicznej przekształcana jest w energię dĽwięku, a ta uzewnętrznia się w postaci ciepła. Aby podtrzymać przesuwanie należy dostarczyć więcej energii - mocniej popychać. Ilość energii mechanicznej zamienianej w ciepło zależy od częstotliwości drgań własnych przesuwających się powierzchni. Tarcie pojawia się w tedy, gdy wzbudzające drgania jednej warstwy są w rezonansie z którąś z częstotliwości własnych drugiej warstwy. Zależność ta prowadzi do zaskakujących wniosków: małe ciała, które mają niewiele częstotliwości własnych mogą przesuwać się po sobie praktycznie bez tarcia oraz bez zużywania się. Naukowcy zachęceni możliwością doświadczalnego potwierdzenia tego zjawiska napotkali na zaskakujący problem: zaobserwowano siłę tarcia niezależną od nacisku. Wedle klasycznych praw tarcia siła ta nie powinna się pojawić. Ale nie tylko występowała siła tarcia lecz także duże (rzędu 109 N/m2) naprężenie ścinające. Innym trudnym do wytłumaczenia faktem był wzrost siły tarcia wprost proporcjonalnie do prędkości przesuwu. Było to sprzeczne z trzecim prawem tarcia sformułowanym przez Coulomba, co więcej okazało się niezgodne z makroskopowymi obserwacjami, według których tarcie rośnie wraz ze spadkiem prędkości (zjawisko tłumaczone jest zmianami w punktach styku - przy dużych prędkościach mogą się topić, przy niskich odrywają się wolniej zwiększając rzeczywistą powierzchnię styku). Rozwiązaniem tego problemu okazała się geometria powierzchni. Jeżeli jest ona niezmienna to rzeczywiście obserwuje się wprost proporcjonalną zależność siły tarcia od prędkości. Teoria ta została ostatnio potwierdzona dla warstw jednoatomowych.
b) reakcje chemiczne na trących powierzchniach
Na początku lat dziewięćdziesiątych zespół kierowany przez Jacqeline Krim dokonał odkrycia zjawiska, nie przewidywanego do tej pory w analizach teoretycznych. Pokazali oni, że sprzecznie z intuicją, cienkie warstwy przesuwane po sobie są bardziej śliskie, gdy są suche. Zjawisko to wydaje się zaskakujące, gdyż na co dzień używamy smarów by zmniejszyć tarcie. Wyjaśnienie przyniosły najnowsze techniki symulacyjne. Dowiedziono bowiem, że atomy cieczy są bardziej ruchliwe niż atomy warstwy stałej i łatwiej utykają między nimi. Należy także zauważyć, że ścinanie następuje między ciekłą a stałą powierzchnią, a nie jak w makroskopowym smarowaniu w samej objętości cieczy.
c) zjawiska elektronowe
Jedną z koncepcji tłumaczących występowanie tarcia jest teoria odwołująca się do zjawisk elektrostatycznych, których przyczyną jest przyciąganie się ładunków różnoimiennych rozdzielonych pomiędzy przylegające do siebie powierzchnie. Problemem okazała się sytuacja, gdy co najmniej jedna z powierzchni jest przewodnikiem. Ten rodzaj tarcia powstaje na skutek oporu jakiego doznają elektrony wprawiane w ruch przesuwaniem się drugiej powierzchni. Jednakże badania przeprowadzone w ostatnich latach dowiodły, że ten typ tarcia ma znikome znaczenie w ogólnym mechanizmie zjawisk trybologicznych. O wiele większy wpływ na powstawanie tej siły mają drgania sieci krystalicznej.
4. Poprawione prawa tarcia.
Z najnowszych badań wynika wyraĽnie, że klasyczne, makroskopowe prawa tarcia nie dają się zastosować do wytłumaczenia tego zjawiska w skali nanoatomowej. Potrafimy sformułować bardziej ogólne prawa:
I. Siła tarcia zależy od tego, jak łatwo dwie powierzchnie sklejają się ze sobą w porównaniu z procesem odwrotnym (jest to bardziej związane z pewną nieodwracalnością siły dociskającej obie powierzchnie niż z wielkością tej siły).
II. Siła tarcia jest proporcjonalna do rzeczywistej, a nie obserwowanej powierzchni styku.
III. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do prędkości przesuwania się w rzeczywistych punktach styku (jeżeli powierzchnie się nie nagrzewają a prędkość jest mniejsza od prędkości dĽwięku, gdyż wtedy tarcie słabnie ze względu na niemożliwość rozproszenia energii przez sieć krystaliczną).
Rozbieżność między makro i mikroskopowymi zjawiskami tarcia wyraĽnie się zmniejszy gdy zauważymy, że rzeczywista powierzchnia styku między obiektami makroskopowymi jest proporcjonalna do siły dociskającej. A zatem tarcie jest proporcjonalne do siły nacisku jak zauważył Amontons. Im jest ona większa, tym większa staje się rzeczywista powierzchnia styku. Ukazanie tej zależności było celem przeprowadzonego przez nas eksperymentu.
5. Rezystancyjna metoda pomiaru rzeczywistej powierzchni styku - omówienie wykonanego eksperymentu.
Urządzenie pomiarowe:
1 - zaciski do podłączenia miernika;
2 - śruba dociskająca;
3 - badana próbka;
4 - sprężyna dociskająca;
5 - przewodzące płytki odizolowane od reszty układu;
6 - prowadnice;
Zasada działania urządzenia pomiarowego jest bardzo prosta. Po umieszczeniu badanej próbki pomiędzy przewodzącymi płytkami (5) doprowadzamy do złapania kontaktu elektrycznego pomiędzy próbką a górną płytką, poprzez odpowiednie wkręcenie śruby dociskającej (2). Siłę normalną do powierzchni styku można zmieniać wkręcając lub wykręcając śrubę dociskającą. Wkręcenie lub wykręcenie śruby spowoduje odpowiednio skrócenie lub wydłużenie sprężyny dociskającej o DX, a co za tym idzie zmianę siły docisku. Ponieważ celem doświadczenia ma być sprawdzenie, czy zależność rzeczywistej powierzchni styku (S) od siły nacisku (N) jest liniowa:
możemy zamiast siły nacisku i rzeczywistej powierzchni styku mierzyć wartości do nich proporcjonalne. Wartością proporcjonalną do rzeczywistej powierzchni styku będzie odwrotność mierzonej rezystancji (R), natomiast skrócenie sprężyny (DX) będzie wartością proporcjonalną do siły nacisku:
Wyznaczenie szukanej zależności polegało na wykonaniu kilu serii pomiarowych dla badanej próbki. Każda seria pomiarowa polegała na odczytaniu (z precyzyjnego miernika) rezystancji odpowiadającej ustalonym naciskom przy zwiększaniu jak i przy zmniejszaniu nacisku. Ponieważ powierzchnia styku inaczej zachowuje się przy zwiększaniu nacisku niż przy zmniejszaniu nacisku, osobno opracowaliśmy otrzymane wyniki dla tych dwóch przypadków. Opracowanie wyników polegało na obliczeniu z wszystkich serii średnich rezystancji dla ustalonych nacisków, przeprowadzeniu regresji liniowej dla punktów leżących w zakresie liniowości rzeczywistej powierzchni styku od siły nacisku. Dla sprawdzenia stopnia zgodności otrzymanych wyników z przewidywaniami obliczyliśmy współczynnik korelacji. Jako materiału do badań użyliśmy tabletek lekarskiego węgla drzewnego. Na rysunku 4 przedstawione zostały przykładowe wyniki pomiarów dla jednej z tabletek węgla lekarskiego. Na osi pionowej zaznaczono odwrotności zmierzonych rezystancji (proporcjonalne do rzeczywistej powierzchni styku ~S). Na osi poziomej umieszczono wielkość skrócenia sprężyny (proporcjonalną do siły nacisku ~N).
W wyniku otrzymanych pomiarów otrzymaliśmy (dla wszystkich tabletek, zarówno przy ściskaniu jak i przy zmniejszaniu nacisku) bardzo wysokie współczynniki korelacji (powyżej 0.99). Wyniki takie świadczą, że zależność odwrotności rezystancji od skrócenia sprężyny jest praktycznie liniowa. Pamiętając o wspomnianych wcześniej proporcjonalnościach, możemy podsumować, że istotnie rzeczywista powierzchnia styku liniowo zależy od siły nacisku. W ten sposób w pełni potwierdziliśmy omówione wcześniej II prawo tarcia.
6. Podsumowanie.
W artykule przedstawiono zarówno skrótowy opis historii nowoczesnej trybologii jak i wyniki najnowszych badań nad tarciem. Pokazaliśmy, że trybologia, a głównie zakres badań nad tarciem w skali atomowej jest niezwykle prężnie rozwijającą się dziedziną fizyki. Badania te są szczególnie ważne w dobie powszechnej miniaturyzacji i tworzącej się nanotechnologii. Przedstawiliśmy również opis prostego doświadczenia potwierdzającego słuszność II prawa tarcia. Doświadczenie to może stać się podstawą do opracowania ćwiczenia na studencką pracownię fizyczną.
7. Literatura i materiały Ľródłowe.
Krim J. , Tarcie na poziomie atomowym, Świat Nauki, 12 (1996)
Dowson D. , History of tribology, Longman, Londyn (1979)
Bowden F.P., Tabor D., Wprowadzenie do trybologii
Lawrowski Z., Trybologia, Wyd. Nauk. PWN, W-wa, Polska (1993)
Siuta W., Mechanika Techniczna, Wyd. Szk. i Ped., W-wa, Polska (1954)
Wygenerowano: 2003-09-12
fizyka
darmowe wypracowania i ściągi - szkoła i studia