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Articulo de referencia

Fenómeno de adherencia-deslizamiento

El chirrido característico de las zapatillas de baloncesto en una cancha de baloncesto de madera se produce por el movimiento de adherencia y deslizamiento. El fenómeno de adher...

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El chirrido característico de las zapatillas de baloncesto en una cancha de baloncesto de madera se produce por el movimiento de adherencia y deslizamiento.

El fenómeno de adherencia-deslizamiento , también conocido como deslizamiento-adherencia o simplemente adherencia-deslizamiento , es un tipo de movimiento que presentan los objetos en contacto que se deslizan uno sobre otro. El movimiento de estos objetos no suele ser perfectamente suave, sino irregular, con breves aceleraciones (deslizamientos) interrumpidas por paradas (adherencias). El movimiento de adherencia-deslizamiento normalmente está relacionado con la fricción y puede generar vibraciones (ruido) o estar asociado con el desgaste mecánico de los objetos en movimiento, por lo que suele ser indeseable en dispositivos mecánicos. [ 1 ] Por otro lado, el movimiento de adherencia-deslizamiento puede ser útil en algunas situaciones, como el movimiento de un arco sobre una cuerda para producir tonos musicales en un instrumento de cuerda frotada . [ 2 ]

Detalles

Fricción cinética estática en función del tiempo

En el fenómeno de deslizamiento intermitente, la fuerza de fricción suele presentar un comportamiento irregular en función del tiempo, como se ilustra en la figura de fricción cinética estática. Inicialmente, el movimiento es relativamente pequeño y la fuerza aumenta hasta alcanzar un valor crítico determinado por la multiplicación del coeficiente de fricción estática y la carga aplicada ; la fuerza de frenado en este caso sigue las leyes de fricción estándar de Amontons . Una vez superada esta fuerza, el movimiento comienza con una carga mucho menor, determinada por el coeficiente de fricción cinética , que casi siempre es menor que el coeficiente estático. En ocasiones, el objeto en movimiento puede quedar "atascado", con aumentos locales de la fuerza antes de reanudar el movimiento. Existen muchas causas para este fenómeno, dependiendo de la escala, desde procesos atómicos hasta procesos que involucran millones de átomos. [ 3 ] [ 4 ]

Modelo para el deslizamiento intermitente

El deslizamiento intermitente se puede modelar como una masa acoplada por un resorte elástico a una fuerza impulsora constante. El sistema de accionamiento V aplica una fuerza constante, cargando el resorte R e incrementando la fuerza de empuje contra la carga M. Esta fuerza aumenta hasta que se supera la fuerza de frenado debida al coeficiente de fricción estática entre la carga y el suelo. Entonces, la carga comienza a deslizarse y el coeficiente de fricción disminuye hasta el valor correspondiente a la carga multiplicada por la fricción dinámica . Dado que esta fuerza de fricción será menor que el valor estático, la carga acelera hasta que el resorte descomprimido ya no puede generar la fuerza suficiente para superar la fricción dinámica, y la carga deja de moverse. La fuerza de empuje debida al resorte se acumula de nuevo y el ciclo se repite. [ 1 ] [ 2 ]

El deslizamiento intermitente puede ser causado por muchos fenómenos diferentes, dependiendo de los tipos de superficies en contacto y también de la escala; ocurre con todo, desde el deslizamiento de puntas de microscopios de fuerza atómica hasta grandes tribómetros . Para superficies rugosas, se sabe que las asperezas juegan un papel importante en la fricción . [ 5 ] El choque entre asperezas en la superficie crea adherencias momentáneas. Para superficies secas con topografía microscópica regular, las dos superficies pueden necesitar deslizarse a alta fricción durante ciertas distancias (para que las protuberancias se muevan una sobre otra), hasta que se forme un contacto más suave y de menor fricción. En superficies lubricadas, el fluido lubricante puede experimentar transiciones de un estado similar a un sólido a un estado similar a un líquido a ciertas fuerzas, causando una transición de adherencia a deslizamiento. [ 1 ] En superficies muy lisas, el comportamiento de deslizamiento intermitente puede resultar de fonones acoplados (en la interfaz entre el sustrato y el deslizador) que están anclados en un pozo de potencial ondulante, adhiriendo o deslizando con fluctuaciones térmicas . [ 6 ] El deslizamiento intermitente ocurre en todo tipo de materiales y en escalas de longitud enormemente variables. [ 7 ] La frecuencia de deslizamientos depende de la fuerza aplicada a la carga deslizante, correspondiendo una fuerza mayor a una mayor frecuencia de deslizamiento. [ 8 ]

Ejemplos

El movimiento de adherencia-deslizamiento es omnipresente en sistemas con componentes deslizantes, como frenos de disco , cojinetes , motores eléctricos, ruedas en carreteras o ferrocarriles y en articulaciones mecánicas . [ 9 ] También se ha observado adherencia-deslizamiento en el cartílago articular en condiciones de carga y deslizamiento leves, lo que podría provocar un desgaste abrasivo del cartílago. [ 10 ] Muchos sonidos familiares son causados ​​por el movimiento de adherencia-deslizamiento, como el chirrido de la tiza en una pizarra , el chirrido de las zapatillas de baloncesto en una cancha de baloncesto y el sonido que hace la langosta espinosa . [ 8 ] [ 11 ] [ 12 ]

El movimiento de adherencia-deslizamiento se utiliza para generar notas musicales en instrumentos de cuerda frotada, [ 2 ] el arpa de cristal [ 13 ] y el cuenco tibetano . [ 14 ]

El deslizamiento intermitente también puede observarse a escala atómica mediante un microscopio de fuerza de fricción . [ 15 ] El comportamiento de las fallas sísmicamente activas también se explica mediante un modelo de deslizamiento intermitente, donde los terremotos se generan durante los períodos de deslizamiento rápido. [ 16 ]

Véase también

  • Mecánica de contacto : estudio de la deformación de sólidos que se tocan entre sí. 
  • Fricción : fuerza que se opone al movimiento de deslizamiento. 
  • Lubricación : presencia de un material que reduce la fricción entre dos superficies. 
  • Nanotribología : estudio de los fenómenos de fricción, desgaste, adhesión y lubricación a nanoescala. 
  • Tribología : ciencia de las superficies de fricción 
  • Tribómetro : instrumento que mide la fricción y el desgaste entre superficies. 

Referencias

  1. 1 2 3 Berman, AD; Ducker, WA; Israelachvili, JN (1996). "Origen y caracterización de diferentes mecanismos de fricción de deslizamiento intermitente". Langmuir . 12 (19): 4559– 4563. doi : 10.1021/la950896z .
  2. 1 2 3 Gresham, Robert M. "Deslizamiento y adherencia: ¿De qué se trata?" (PDF) . Tribología y tecnología de lubricación . Sociedad de tribólogos e ingenieros de lubricación . Recuperado el 1 de octubre de 2023 .
  3. ↑ Persson, Bo NJ (1998). Fricción deslizante . Nanociencia y tecnología. Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-662-03646-4 . ISBN 978-3-662-03648-8.
  4. ↑ Gnecco, Enrico; Meyer, Ernst (2015). Elementos de la teoría de la fricción y la nanotribología . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00623-2.
  5. ↑ Bowden, Frank Philip; Tabor, David (2008). La fricción y la lubricación de los sólidos . Textos clásicos de Oxford ( Ed. reimpresa). Oxford: Clarendon Pr. ISBN  978-0-19-850777-2.
  6. ↑ Bo NJ Persson y Nicholas D. Spencer, "Fricción por deslizamiento: principios físicos y aplicaciones", Physics Today 52(1), 66 (1999); doi: 10.1063/1.882557
  7. ↑ Ruina, Andy. "Inestabilidad por deslizamiento y leyes de fricción de variables de estado.", Journal of Geophysical Research 88.B12 (1983): 10359-10
  8. 1 2 Rabinowicz, Ernest (mayo de 1956). "Stick and Slip". Scientific American . 194 (5): 109– 119. doi : 10.1038/scientificamerican0556-109 .
  9. ↑ Ding, Wenjing (2010). Vibración autoexcitada . Springer Berlin, Heidelberg. pp. 140–166 . doi : 10.1007/978-3-540-69741-1 . ISBN  978-3-540-69741-1.
  10. ↑ DW Lee, X. Banquy, JN Israelachvili, Fricción por deslizamiento intermitente y desgaste de las articulaciones , PNAS. (2013), 110(7): E567-E574
  11. ↑ SN Patek (2001) . "Las langostas espinosas se pegan y se deslizan para producir sonido". Nature . 411 (6834): 153– 154. Bibcode : 2001Natur.411..153P . doi : 10.1038/35075656 . PMID 11346780. S2CID 4413356 .  
  12. ↑ Branch, John (17 de marzo de 2017). "¿Por qué los partidos de baloncesto son tan ruidosos? Consideremos la langosta espinosa" . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 19 de marzo de 2017 . 
  13. ↑ Rossing, Thomas D. (1994). "Acústica de la armónica de cristal". Journal of the Acoustical Society of America . 95 (2): 1106– 1111. doi : 10.1121/1.408458 .
  14. ↑ Collin, Samantha R; Keefer, Chloe L y Moore, Thomas R (16–19 de septiembre de 2015). "La etiología del parloteo en el cuenco tibetano del Himalaya" (PDF) . Actas de la Tercera Charla de Viena sobre Acústica Musical . Bridging the Gaps. 138 (3): 120– 123. Bibcode : 2015ASAJ..138.1888K . doi : 10.1121/1.4933928 .
  15. ↑ Fricción a escala atómica de una punta de tungsteno sobre una superficie de grafito CM Mate, GM McClelland, R. Erlandsson y S. Chiang Phys. Rev. Lett. 59 , 1942 (1987)
  16. ↑ Scholz, CH (2002). La mecánica de los terremotos y las fallas (2.ª ed.). Cambridge University Press. págs. 81–84 . ISBN   978-0-521-65540-8Consultado el 6 de diciembre de 2011 .
  • Simulación del comportamiento de deslizamiento intermitente en un microscopio de fuerza de fricción (vídeo)
  • Jianguo Wu, Ashlie Martini, "Atomic Stick-Slip", DOI: 10254/nanohub-r7771.1, 2009
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