Fenómeno stick-slip - Stick-slip phenomenon

El fenómeno stick-slip , también conocido como fenómeno slip-stick o simplemente stick-slip , es el movimiento de sacudidas espontáneo que puede ocurrir mientras dos objetos se deslizan uno sobre el otro.

Porque

A continuación se muestra una descripción heurística simple de los fenómenos de pegado y 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 resulta de modos de fonones 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 pegado-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 deslizador), 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. 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 la 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 puede describirse 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. La imagen adjunta muestra simbólicamente un ejemplo de stick-slip.

Stick-slip.svg

V es un sistema de transmisión, 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 superar 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

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 en una guía deslizante. Los aceites para guías deslizantes suelen incluir 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 suaves, lo que podría resultar en un desgaste abrasivo del cartílago.

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 fricción de palo-deslizamiento es la langosta espinosa que frota sus antenas sobre superficies lisas en su cabeza. Otro ejemplo más común que produce sonido mediante la fricción de deslizamiento es el saltamontes .

El stick-slip también se puede observar a escala atómica utilizando un microscopio de fuerza de fricción . 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.

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 .

Stick-slip es el mecanismo físico básico para el control activo de la fricción mediante la aplicación de vibraciones.

Investigadores de la Universidad de California, San Diego, desarrollaron un enjambre de robots de origami plegables que utilizan el fenómeno de deslizamiento y movimiento para la locomoción.

Incluso se puede observar aparente adherencia-deslizamiento en un sistema que no tiene fuerza de fricción estática ("adherencia dinámica")

Referencias

  1. ^ 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 variables de estado". Revista de investigación geofísica 88.B12 (1983): 10359-10
  2. ^ 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 .
  3. ^ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, Fricción stick-slip y desgaste de las articulaciones articulares , PNAS. (2013), 110 (7): E567-E574
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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)
  6. ^ 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 .
  7. 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 .
  8. Popov, M .; Popov, VL; Popov, NV (1 de marzo de 2017). "Reducción del rozamiento por oscilaciones normales. I. Influencia de la rigidez de contacto". La fricción . 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). "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 .
  10. ^ 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