スティックスリップ現象

スティックスリップ現象は、スリップスティック現象、または単にスティックスリップとも呼ばれ、接触している物体が互いに滑り合うことによって示される運動の一種です。これらの物体の運動は通常、完全に滑らかではなく、むしろ不規則で、短時間の加速（スリップ）が停止（スティック）によって中断されます。スティックスリップ運動は通常、摩擦と関連しており、振動（ノイズ）を生成したり、移動物体の機械的摩耗に関連したりする可能性があるため、機械装置では望ましくないことがよくあります。^[1]一方、スティックスリップ運動は、擦弦楽器で弓を弦上で動かして楽音を作成するなど、いくつかの状況では役立ちます。^[2]

詳細

スティックスリップでは、静止動摩擦の図に示されているように、摩擦力は時間の関数としてギザギザした挙動を示すのが一般的です。最初は動きが比較的少なく、力は上昇していき、静止摩擦係数と加えられた荷重の積で決まるある臨界値に達します。ここでの減速力は、アモントンの法則の標準的な摩擦の考え方に従います。この力を超えると、動摩擦係数によって決まるはるかに低い荷重で動き始めます。動摩擦係数は、ほとんどの場合、静止摩擦係数よりも小さくなります。動いている物体が「動けなくなる」ことがあり、その場合、物体は再び動き出す前に力が局所的に上昇します。これには、原子から数百万の原子が関与するプロセスまで、サイズスケールに応じてさまざまな原因があります。^[3]^[4]

スティックスリップは、弾性バネによって一定の駆動力に結合された質量としてモデル化できます (モデルスケッチを参照)。駆動システム V は一定の力を適用し、バネ R に負荷をかけ、荷重 M に対する押す力を増加させます。この力は、荷重と床の間の静摩擦係数による減速力を超えるまで増加します。その後、荷重は滑り始め、摩擦係数は荷重と動摩擦の積に相当する値まで減少します。この摩擦力は静的値よりも低くなるため、荷重は加速し、減圧バネが動摩擦を克服するのに十分な力を生成できなくなり、荷重は動きを停止します。バネによる押す力が再び増加し、サイクルが繰り返されます。^[1]^[2]

スティックスリップは、接触する表面の種類や規模に応じて、さまざまな現象によって引き起こされる可能性があります。原子間力顕微鏡の先端の滑りから大型の摩擦計まで、あらゆる場合に発生します。粗い表面では、摩擦において突起が大きな役割を果たすことが知られています。^[5]表面の突起同士がぶつかることで、瞬間的なスティックが発生します。規則的な微視的地形を持つ乾燥した表面では、2 つの表面が一定の距離を高い摩擦で移動する必要がある場合があります(突起が互いを通り過ぎるため)。その後、より滑らかで摩擦の少ない接触が形成されます。潤滑された表面では、潤滑流体が一定の力で固体のような状態から液体のような状態に移行し、固着から滑りへの移行を引き起こします。^[1]非常に滑らかな表面では、スティックスリップ挙動は、波状のポテンシャル井戸に固定され、熱変動によって固着または滑りを起こす結合フォノン(基板とスライダーの界面) によって発生する可能性があります。^[6]スティックスリップはあらゆる種類の材料で発生し、長さのスケールも大きく異なります。^[7]スリップの頻度は滑り荷重に加わる力に依存し、力が大きければスリップの頻度も高くなります。^[8]

例

スティックスリップ運動は、ディスクブレーキ、ベアリング、電動モーター、道路や鉄道の車輪、機械関節など、摺動部品を備えたシステムでは広く見られます。^{[9]スティックスリップは、軽度の荷重と摺動条件下で}関節軟骨でも観察されており、軟骨の摩耗につながる可能性があります。 ^[10]黒板にチョークでこする音、バスケットボールコートでバスケットボールシューズがきしむ音、イセエビの鳴き声など、多くの馴染みのある音はスティックスリップ運動によって発生します。^[8]^[11]^[12]

スティックスリップ運動は、擦弦楽器^{[2] 、}グラスハープ[ ^13]、シンギングボウル^[14]で音符を生成するために使用されています。

摩擦力顕微鏡を使えば、原子レベルでのスティックスリップ現象を観察することもできる。^{[15]地震活動が活発な}断層の挙動もスティックスリップモデルで説明され、急速な滑りの期間中に地震が発生する。^[16]

参照

接触力学 – 互いに接触する固体の変形の研究
摩擦 – 滑り運動に抵抗する力
潤滑 – 2 つの表面間の摩擦を減らす材料の存在。
ナノトライボロジー – ナノスケールでの摩擦、摩耗、接着、潤滑現象の研究
トライボロジー – 相対運動する表面の相互作用に関する科学と工学
トライボメーター – 表面間の摩擦と摩耗を測定する機器

参考文献

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外部リンク

摩擦力顕微鏡におけるスティックスリップ挙動のシミュレーション（動画）
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