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ブレーキ、バスケットボールシューズ、地震の共通点は何ですか?

バスケットボール プレーヤーが靴を床の上で滑らせるときに発生するきしむ音は、スティック スリップ運動の結果です。バスケットボール シューズが高い周波数で短い距離でスティックとスリップを繰り返すと、界面が定期的に空気を圧縮し、それによって、言わずと知れた軋む音。同様の方法で同様の音を作成できる方法は他にもたくさんあります。風船の上で手を滑らせるとき、ガレージのきれいな床で車が急旋回するとき、さらにはバイオリンを演奏するときなどです。 /P>

いずれの場合も、接触面は、粘着と滑りをすばやく交互に繰り返すことによって、けいれん的な動きをします。スティックスリップ運動は、より劇的な結果をもたらす可能性もあります。地震は地殻のスティック スリップ運動に起因することが知られていますが、スティック スリップ運動は関節の損傷につながると仮定されています.

インターフェイスがスティック スリップ モーションを表示するのはなぜですか?効果の起源を説明できる (思考) 実験は、次のように行われます。テーブルの上に重い本を置き、柔軟な輪ゴムを使用してその本を引っ張ります。輪ゴムが伸び、引っ張る力が増すにつれて、本は最初に所定の位置に留まります。引っ張る力が臨界値を超えると、本は前方に飛び出して停止します。くっついたり、滑ったり、またくっついたりします。急激な加速の理由は、本が少しでも動くと、滑りに抵抗する摩擦力が減少する一方で、輪ゴムには同じ大きな引っ張り力がかかるためです。つまり、滑り始めると急激に滑り抵抗が低下し、静止摩擦よりも滑り抵抗が小さくなります。これは事実上すべてのインターフェースに当てはまります。バスケットボール シューズと床、車のタイヤと道路、弓と弦などです。これらすべてのインターフェースに共通しているものは何ですか?

表面の粗さは重要な役割を果たしていると考えられています。顕微鏡の長さのスケールでは、表面は通常、山の風景のように滑らかではなく、粗いです。この表面粗さの結果、2 つのオブジェクトを接触させたときに、2 つのオブジェクトが最も高い粗さのピークがたまたま接触するいくつかの場所でのみ接触します (図を参照)。サーフェスが相互に平行移動するか、スライドすると、サーフェスが接触する正確な位置が変化します。

静止している間、接触力は比較的少数の接触点によって運ばれ、加えられた接触力がそれほど大きくない場合でも、接触点内に大きな局所圧力が生じます。微視的な粗さのピークに加えられる圧力は、実際には非常に大きくなる可能性があるため、静止した界面では、時間の経過とともにピークが徐々に平坦になります。粗さのピークが平らになるほど、表面が接触する全体の面積が大きくなり、それに伴い、界面での滑り運動に抵抗する摩擦力が大きくなります。しかし、滑りが始まり、2 つの表面が互いに対して動くと、それらは必ずしも老化した粗さのピークともはや接触しなくなり、接触の成長、つまり摩擦が逆転します。

静的摩擦と滑り摩擦の違いについてこの説明を実験的にテストするために、アムステルダム大学の研究者は革新的な実験を行い、スティックスリップ遷移中のプラスチックボールとガラス板の間の界面を視覚化しました。研究チームは、ガラス板に蛍光分子の層を化学的に付着させた。蛍光分子の層は、プラスチック ボールの粗さのピークによって押し付けられた場合にのみ発光する。これにより、透明なプレートを通して分子スケールでボールとプレート間の接触を可視化できます。

実験では、接触力が加えられ、界面が静止している場合、時間の経過とともに接触が徐々に成長することが明らかになりました。接触の数または総面積のこの増加には、静止摩擦力の増加も伴いました。ボールを強制的にスライドさせる前にボールを押し付けて接触させる時間が長ければ長いほど、スライドを開始するのに必要な静止摩擦力が高くなります。ただし、待機時間とともに摩擦力が増加する速度は、新しい接触が作成される速度よりも速かった.さらに、滑り運動の開始時に、ボールとプレートが接触する総面積は変化しないまま、摩擦力が低下しました。両方の観察結果は、滑りの開始時にそれらの接触の弱体化につながる微細な接触内で発生するプロセスがあるに違いないことを示しています.

ボールとプレートの接触の画像をより詳細に分析することにより、研究者は、界面にある特殊なプローブ分子が発光する強度が、スティックスリップ遷移中の摩擦力の変化に正確に従っていることを発見しました。 、静的な値では強度と摩擦力の両方が高く、その後、ボールが滑り始めると摩擦と強度の両方が減少しました。結論としては、ボールが動き始めた瞬間、いわば接点が溶けて滑りやすくなり、フリクションが低下するということです。

このように、この実験はスティックスリップ遷移の別の説明を提供します。これは日常的に耳にする現象であり、地震から機械、ブレーキ、(人間の) 関節まで、非常に多様な境界面で破壊的な結果をもたらす可能性があります。


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