黏滑現象(),又稱滑動-黏滯現象或簡稱黏滑,是指相互接觸並在彼此表面滑動的物體所展現的一種運動模式。這些物體的運動通常並非完全平滑,而是呈現不規則狀態,伴隨著短暫的加速(滑動)與停頓(黏滯)交替出現。黏滑運動通常與摩擦有關,可能產生振動(噪音)或導致移動物體的機械磨損,因此在機械裝置中往往是不希望發生的現象。另一方面,黏滑運動在某些情況下卻頗具實用價值,例如弓弦樂器中,弓在琴弦上滑動以產生音調的過程。
細節
在黏滑現象中,摩擦力隨時間變化的曲線通常呈現鋸齒狀,如靜摩擦與動摩擦圖所示。初期物體位移較小,摩擦力逐漸上升,直至達到某個臨界值;該臨界值由靜摩擦係數與施加負載的乘積決定——此處的阻滯力遵循阿蒙頓定律所闡述的標準摩擦原理。一旦超過此力值,物體便會在遠低於靜摩擦力的負載下開始移動,該負載由動摩擦係數決定,而動摩擦係數幾乎總是小於靜摩擦係數。有時移動中的物體會出現「卡住」現象,在重新開始移動前,局部摩擦力會出現短暫上升造成此現象的原因眾多,取決於尺度範圍,從原子層面到涉及數百萬個原子的過程皆然。
黏滑現象可建模為一個透過彈性彈簧與恆定驅動力耦合的質量(參見「黏滑現象模型」圖解)。驅動系統 V 施加恆定力,使彈簧 R 受力並增加對負載 M 的推力。此推力持續增加,直至超過負載與地面之間靜摩擦係數所產生的阻力。此時負載開始滑動,摩擦係數降至負載值乘以動摩擦係數的數值。由於此摩擦力將低於靜摩擦值,負載會持續加速,直到彈簧在鬆弛時無法產生足夠的力來克服動摩擦,負載便停止移動。隨後,彈簧產生的推力再次累積,此循環便重複進行。表面凸起之間的碰撞會產生短暫的黏滯。對於具有規則微觀形貌的乾式表面,兩表面可能需要在高摩擦狀態下進行一段距離的蠕變(以便凸起相互越過),直到形成更平滑、摩擦力較低的接觸狀態。在潤滑表面上,潤滑液體可能在特定作用力下從類固態轉變為類液態,從而導致從黏滯狀態轉變為滑動狀態。黏滑現象會發生在各類材料上,且其作用長度尺度差異極大。滑動的頻率取決於施加於滑動負載上的力,施加的力越大,滑動頻率就越高
範例
黏滑運動在含有滑動元件的系統中隨處可見,例如盘式制动、軸承、電動馬達、行駛於道路或鐵路上的車輪,以及機械接頭。在輕微負載與滑動條件下,關節軟骨中亦觀察到黏滑現象,這可能導致軟骨產生磨損。許多常見的聲音皆由黏滑運動所引起,例如粉筆在黑板上刮擦的尖銳聲、籃球鞋在籃球場上發出的吱吱聲,以及龍蝦發出的聲響。
弓弦樂器和磬皆利用黏滑運動來產生音符。
利用摩擦力顯微鏡,亦可在原子尺度上觀察到黏滑現象。地震活躍斷層的行為同樣可透過黏滑模型來解釋,地震即發生於快速滑動的時期。
參見
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參考資料
外部連結
*[https://www.youtube.com/watch?v=idlHxu7TTWU Simulation of stick-slip behaviour in a friction force microscope (movie)]
*[https://nanohub.org/resources/7771 Jianguo Wu, Ashlie Martini, "Atomic Stick-Slip," DOI: 10254/nanohub-r7771.1, 2009]
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