プラスチックシートのスタックを曲げると、摩擦に対処するのに役立ちます

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プラスチックシートのスタックを曲げると、摩擦に対処するのに役立ちます
プラスチックシートのスタックを曲げると、摩擦に対処するのに役立ちます
Anonim
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物理学者は、プラスチックシートのスタックを折りたたむプロセスを理論的および実験的に研究して、このプロセスで層間の摩擦がどのような役割を果たしているかを理解しました。この目的のために、彼らは摩擦が小さな摂動として作用するパックのモデルを開発しました。構築されたモデルは、シートの実際の動作を完全に説明し、そのようなシステムでエネルギー散逸がどのように発生するかを理解するのに役立ちました。研究はPhysicalReviewLettersに掲載されています。

人類は、科学技術のさまざまな分野で、多層グラフェンから岩の層に至るまで、さまざまな規模で層状構造を扱っています。すべての場合において、層間の相互作用は構造全体の特性に影響を与えます。応用力学の観点から、層状構造は、たとえばばねで使用されるエネルギーを散逸させる能力を持っています。

この実用的な利点は、多層オブジェクトの変形の理論的および実験的研究を動機付けます。これまで、物理学者は、層の数が少ないシステム、または摩擦の影響が他のすべての影響よりも優先されるシステムでプロセスをシミュレートする方法をすでに学習しましたが、システムの微視的特性とその巨視的機械的特性をリンクする本格的なモデル任意の振幅の変形に対する応答は構築されませんでした。..。

新作では、ローザンヌのエコールポリテクニックデローザンヌのペドロレイスが率いるスイスとフランスの物理学者のグループが、弾性シートの厚い束の変形過程を調査することにより、この方向に一歩踏み出しました。シートは、長さ220ミリメートル、幅30ミリメートル、厚さ0.286ミリメートルのポリエチレンテレフタレートでできていました。パックのシート数は1〜70枚で、接着を防ぎ、乾いた摩擦を確保するために、シートの両面をサンドペーパーで研磨しました。

パックは3点曲げについてテストされました。下肢は、滑り止め用のビニルポリシロキサンの薄層でコーティングされ、エアベアリングに取り付けられた2つのローラーで構成されていました。パックの上部に圧子を押し付け、パックからの支持体の反力を測定しました。各実験では、毎秒1ミリメートルの一定速度で移動する圧子に近づいたり引き抜いたりして測定を行いました。

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(a)実験装置の写真。 (b)スタック内の1(正方形)、35(ひし形)、および70(円)シートのシートあたりの力とたわみ深さを示すアプローチ-リトラクト曲線。黒の実線は、単純な1枚のモデルの依存関係を示しています。 (c)(b)と同じですが、正規化された増分剛性用です。

一連の実験の結果、物理学者は、シートあたりの力の杭のたわみの深さへの依存性を確立しました。 1枚のシートの場合、この関係は、以前に開発された古典的な線形モデルによって十分に説明されています。ただし、シートの数が多い場合、著者は、スタックが圧子に作用する正味の力は、各シートからの力の代数和だけではなく、非線形応答モードを示していることを発見しました。さらに、引き込み曲線を作成するときに、エネルギーの散逸、つまり摩擦の結果としての熱への散逸を示すヒステリシスが見つかりました。散逸が強いほど、パック内のシートの数が多くなりました。システムの非線形動作を説明するために、物理学者はパックの増分剛性を導入して調査しました。これは、小さな偏差の限界では、個々のシートの剛性の合計に等しくなりました。

一般的な反応に加えて、物理学者は個々のシートの振る舞いに興味を持っていました。これを行うために、彼らはスタックの側面に垂直のマークを付けて、個々のシートの折り畳みの結果としてこれらのポイントがどのように変位するかを確認します。物理学者は、70枚のシートのパックの平均的で強い曲げを調査し、それぞれの場合について、シートの傾斜角度と上部シートと下部シートのマークの間の距離を結ぶ図を作成しました。圧力の増加に伴い、サイドマークの線が曲がり始めました。これは、横方向のせん断の増加を示していますが、その正確な説明は文献では入手できませんでした。

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(a)中(a1)および強(a2)曲げモードでのバンドルの写真。 (b)シートの傾斜角度と、中(円)および強(ひし形)曲げモードでの上部(緑)および下部(赤)シートのマーク間の距離をリンクする図。破線はモデルの予測を示しています。 (c)方程式を導出するために作成者が使用する凡例の描画。

このため、物理学者は、摩擦を考慮した厚い1次元多層構造を記述する新しいモデルを構築しました。そのフレームワーク内で、ストレッチがゼロの中央のシートがすべてのシートの中で強調表示されました。その作者はそれをパックの「尾根」と呼んだ。この層を表す方程式を解いた後、幾何学的な考慮事項から他のすべてのシートの解を再構築することができました。最後に、システム内のエネルギー散逸、したがって観測されたヒステリシスを説明するために、物理学者は小さな摂動として層間摩擦をモデルに導入しました。得られた溶液は実験とよく一致した。

著者らは、彼らが開発した方法論は、摩擦が重要な役割を果たす他の複雑なシステムに適用できることを強調しています。特に、これは、エネルギーを放散するように設計されたデバイス、たとえば、ショックアブソーバー、ダンパー、スプリングなどの開発に役立ちます。物理学者はまた、提示されたモデルが準静的近似で作成されていることにも注目しています。この近似では、外力の変化率は、マイクロレベルでのプロセスの通常の時間よりもはるかに小さくなっています。しかし、彼らは将来、動的条件と衝撃条件を考慮に入れることができるモデルを構築することを望んでいます。

さまざまな材料の接触中に発生する機械的プロセスの研究は、科学者にとって非常に興味深いものです。先ほど、物理学者が2つの弾性体を一緒に絞ったときの異常な動作を発見し、「スーパースリップ」の影響を予測した方法について説明しました。

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